梯度功能钛合金带材及制备方法

摘要

一种梯度功能钛合金带材制备方法，包括以下步骤：驱动原料带材匀速运动；通过沿带材运动方向间隔设置的两个固定不动的电接触装置将一高能脉冲电源与运动的带材电连接，间歇地向带材导入频率60-760Hz、电压10-600V、脉冲宽度10-6000μs的高能脉冲电流，对带材进行高能电脉冲处理；对处理后的带材进行裁切，即制得梯度功能钛合金带材。本发明还提供了一种梯度功能TC4钛合金带材，其由一根力学性能单一的TC4钛合金带材采用上述制备方法制成，其弹性模量沿带材长度方向连续变化。本制备工艺简单，成本低，可实现在线连续生产，制备过程中带材表面不会发生氧化现象。该钛合金带材不会出现失效及断裂现象，且力学性能好。

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金带材及制备方法，特别涉及一种弹性模量梯度分布的钛合金带材的制 备方法，以及涉及采用该方法制得的一种梯度功能TC4钛合金带材。

背景技术

随着世界性的能源危机和环境污染问题日趋严重，为了降低能耗和减少机动机械尾气排 放造成的环境污染，在航空、航天、汽车和生物医用等领域，结构轻量化所带来的效益十分 显著，包括可以提高机动工具的机动性，减少油耗，降低了对运送工具的要求和运送的费用。 汽车、商(军)用飞行器是量大而广的交通工具，材料结构微小的改进，就会产生显著的经 济效益。传统的结构材料(钢铁、铝等)在国民经济中面临节能、降耗、减排和环保的严峻 形势。在这种情况下，应用和开发轻质结构材料钛合金，已成为近几年国内外研究和发展的 热点和重点。

钛合金是一种重要的轻质结构材料，尤其是钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性强、 可焊、中温性能好和无磁等优点，使之在航空、航天、船舰、兵器、核能、交通运输产业、 军事和电子、信息产业和生物医用等领域有着广泛的应用。因此金属钛合金被誉为“21世纪 最重要的绿色工程材料”和“21世纪最重要的生物医用金属材料”。

近年来，TC4钛合金作为最重要的王牌商业钛合金之一得到飞速的发展和广泛的应用， 但TC4钛合金单一的力学性能和较大的弹性模量在很大程度上限制了变形钛合金在航空发动 机和医用植入物等方面的进一步应用。对TC4钛合金进行适当的变形和后续热处理(如高温 相变热处理)，可大幅度降低其弹性模量；采用分段热处理然后将不同组织和性能的材料进行 后续焊接处理(如搅拌摩擦焊接)，可实现制备梯度功能钛合金材料，而这种低弹性模量、更 多样化梯度力学性能的梯度功能TC4钛合金应具有更广泛的市场应用前景和更广阔的发展空 间。

一般的两相TC4钛合金经过低温去应力退火后冷却至室温的组织由α-Ti准单相等轴组 织组成，其中少量转变β-Ti以块状形式存在于晶界和晶粒交叉处，在晶团内部拥有细小的次 生α-Ti相。转变贝塔相、初生等轴阿尔法相和次生阿尔法相的尺寸由具体的材料成分、热处 理(加工)工艺、冷却工艺和冷却介质等因素有关。有研究报道，Ti-Al-V系列钛合金变形 后再经过低温去应力退火热处理可使材料转变为以等轴阿尔法相为基体，同时在少量的残留 贝塔相中以细小层片状或者等轴状的形式均匀、弥散分布于晶界和晶内，从而降低其弹性模 量。尽管如此，TC4钛合金经过上述处理后，仍然有大量粗大的等轴状α相以及抱团的转变 β相晶块。拥有这种组织的TC4钛合金在后续变形或者在承受外部载荷的过程中，晶界处粗 大的等轴状α-Ti和成团的转变β晶块处容易阻碍弹性变形的发生，形成应力阻滞现象，容易 造成材料的弹性模量过大，由此产生材料过早的失效或者与人体软(硬)组织力学相容性不 好的问题，因此α-Ti和β-Ti的数量、分布和形貌特征严重影响了TC4钛合金的力学性能。 另外，如飞机涡轮发动机叶片和人体骨组织植入材料不同部位需要满足各自不同的力学特性， 以满足其实际服役于多性能要求的复杂环境，这就要求材料具备梯度功能的力学性能。

很明显，如果要在此基础上进一步降低TC4钛合金的弹性模量，并实现其功能梯度分布 的特性，只有改善其中两相的分布和形貌使之朝有利于其弹性模量降低的方向发展，同时还 需要实现显微组织的梯度分布以期制备梯度功能材料，满足实际复杂的服役环境。

传统的高温相变热处理工艺可在一定程度上降低TC4钛合金的弹性模量，但由于组织和 性能的单一性并不能满足功能梯度材料的实际需要。而采用分段制备而后进行焊接的工艺虽 然可以制备梯度功能钛合金带材，但存在以下技术问题：工艺复杂，成本较高，由于同一分 段的力学性能一致导致焊接后整体的力学性能不是连续变化的，焊接部位与基体部分由于组 织相异性及焊接过程中引入的焊接缺陷容易造成失效甚至断裂。另外，由于钛合金中溶质原 子在固相中扩散速度很慢，一般钛合金的高温相变处理工艺存在加热温度高(960℃以上)、保 温时间长(视炉内批量的大小而定，一般数小时)和能耗大等问题，由于加热温度高、保温时 间长，钛合金的表面很容易氧化，特别是钛合金板、带材一旦出现局部表面氧化现象，后续 处理很难去除氧化层，严重影响后续成型工序和最终产品的质量；同时在长时间高温情况下， TC4钛合金容易发生晶粒异常长大，直接导致材料内部晶粒尺寸严重不均匀，严重损害了材 料的最终力学性能。再者，还必须严格控制钛合金的加热方式和加热速度等工艺，以防一旦 加热方式和升温速度选择不当，将会产生材料内部温度不均、局部过烧，最终导致固溶处理 后材料内部组织不均匀和力学性能不稳定的后果，所以影响传统热处理工艺的因素复杂，生 产成本高。因此如何克服钛合金传统高温相变热处理工艺的不足，研究一种具有力学性能梯 度分布的TC4钛合金的新型高能电脉冲在线制备工艺就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种梯度功能钛合金带材制备方法，以解决现有方法工艺复杂，成 本高，制得的梯度功能钛合金带材力学性能差、焊接部易断裂等技术问题。

本发明提供的一种梯度功能钛合金带材制备方法包括：

驱动原料带材匀速运动；

通过沿带材运动方向间隔设置的两个固定不动的电接触装置将一高能脉冲电源与运动的 带材电连接，间歇地向带材导入频率60-760Hz、电压10-600V、脉冲宽度10-6000μs的高能 脉冲电流，对带材进行高能电脉冲处理；以及

对处理后的带材进行裁切，即制得梯度功能钛合金带材。

在上述的梯度功能钛合金带材制备方法中，优选地，两个电接触装置之间的距离与单个 梯度功能钛合金带材产品的长度相等，在间歇地向带材导入高能脉冲电流时，每次导入持续 时间与带材运动速度的乘积与两个电接触装置之间的距离值相等，且两次导入之间的间隔时 间与每次导入持续时间相等。

在上述的梯度功能钛合金带材制备方法中，优选地，两个电接触装置之间的距离大于单 个梯度功能钛合金带材产品的长度，在间歇地向带材导入高能脉冲电流时，每次导入持续时 间与带材运动速度的乘积小于两个电接触装置之间的距离值，且两次导入之间的间隔时间大 于每次导入持续时间。

在上述的梯度功能钛合金带材制备方法中，优选地，带材的运动速度为0.6-160米/分钟。

在上述的梯度功能钛合金带材制备方法中，为了进一步提高产品的表面质量，优选地， 所述带材先通过与高能脉冲电源正输出端连接的电接触装置，后通过与高能脉冲电源负输出 端连接的电接触装置。

在上述的梯度功能钛合金带材制备方法中，优选地，进一步还包括在送入电接触装置前 对原料带材进行变形率大于5％的轧制、和/或进行低温去应力退火的步骤。

在上述的梯度功能钛合金带材制备方法中，优选地，进一步还包括对经过高能脉冲电流 处理后的带材进行冷却的步骤。

在上述的梯度功能钛合金带材制备方法中，优选地，带材上的脉冲电流密度的幅值为 200A/mm²-6000A/mm²。

本发明提供的一种梯度功能TC4钛合金带材，其由一根力学性能单一的TC4钛合金带材 采用上述制备方法制成，该梯度功能TC4钛合金带材的弹性模量沿带材长度方向连续变化。

在上述的梯度功能钛合金带材中，优选地，按显微组织结构区分，所述梯度功能钛合金 带材从一端到另一端依次由等轴化组织、双态化组织和层片化组织三段组成，三段的长度占 总长度的比值分别为14％-17％、38％-45％、41％-46％。

在上述的梯度功能钛合金带材中，优选地，所述等轴化组织为准单相粗大等轴组织和晶 间的少量贝塔相组成的准单相等轴化组织；所述双态化组织为转变贝塔相中薄层片状α-Ti和 细小等轴状α-Ti组成的两相双态组织；所述层片化组织由相互平行或成角度的粗大层片状α -Ti相和β-Ti相组成的魏氏体层片组织。

本发明用高能脉冲电流对一根力学性能单一的钛合金带材处理即制得梯度功能钛合金带 材，制备工艺简单，成本低，可以实现在线连续生产。同时，由于制得的梯度功能钛合金带 材未经过焊接，故不会出现失效及断裂现象。由于制得的梯度功能钛合金带材的弹性模量沿 带材方向是连续变化的，故具有更好的力学性能。由于制备过程中高能脉冲电流对带材上任 何一点完全处理的时间在16秒钟以内，而且处理中最高温度为350℃-760℃，远远低于传统 热处理工艺需要得到双态化组织的温度860℃和魏氏体层片化组织1050℃，所以制得的钛合 金带材不会发生氧化现象。

附图说明

图1为一些实施例中采用的制备系统的示意图；

图2为一种较佳实施例制备过程的示意图；

图3为另一实施例制备过程的示意图；

图4为处理得到的一种梯度功能钛合金带材一端的显微组织图；

图5为处理得到的一种梯度功能钛合金带材中间部位的显微组织图；

图6为处理得到的一种梯度功能钛合金带材另一端的显微组织图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本 发明进行进一步详细说明。理当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用 于限制本发明。

在一些实施例中，采用图1所示的高能电脉冲在线处理系统来实现。图1中，1为第一 支撑辊，2为轧辊，3为第二支撑辊，4为高能脉冲电源，5为开卷装置，6为收卷装置，它 们构成一个轧机，7表示钛合金带材，7’表示钛合金带材上的加电区段，8为电流测试器件， 9为时间测试设备，10为热电偶，11为温度存储分析设备。

第一支撑辊1同时还与高能脉冲电源4的正输出端连接，作为电接触装置使用。该第一 支撑辊1由一对采用铜-石墨制成的直径为140-160mm，宽度约为轧辊2宽度的导电轮构成， 导电轮与开卷钛材形成一定的包角，以保证接触良好，减少接触电阻，两导电轮中心连线的 中点与上下轧辊2中心连线的中点间的距离(即两个电接触装置之间的距离)可在10-1800mm 范围内调整。可以理解地，本发明中两个电接触装置之间的距离并不限于10-1800mm，根据 实际产品的需要，两个电接触装置之间的距离还可以设计为在更大的范围内可调。导电轮也 可采用弥散强化铜或黄铜等导电性较好且耐磨的材料制成。

轧辊2在本发明中并不对钛合金带产生明显的塑性变形。换言之，轧辊2并非作为传统 的轧辊使用，其实际的功能有两个，第一是通过与钛合金带材7紧密地弹性接触，驱动带材 7运动，第二是通过与高能脉冲电源4的负输出端连接向钛合金带材上的加电区段7’导入高 能脉冲电流，即作为电接触装置使用。

高能脉冲电源4的功率可为5-80KW，输出频率为60-760Hz，脉冲宽度为10-6000μs， 电压为10-600V。

这里利用连续高能电脉冲实现TC4钛合金显微组织的梯度分布，从而实现材料力学性能 的梯度分布。在制备过程中，瞬间高能脉冲电流直接输入到钛材中产生重要的梯度焦耳热效 应和非热效应，而在热效应和非热效应的耦合作用下，使原子的振动能量急剧增加，同时这 种瞬间高能量的脉冲电流的输入极大地促进了材料内部原子的扩散。具体地，该梯度功能钛 合金带材制备方法如下：

通过轧机的开卷装置5、收卷装置6、轧辊2、第一支撑辊1及第二支撑辊3张紧来自开 卷装置5上的TC4钛合金带材7，使所述钛合金带材7与轧辊2紧密弹性接触，驱动轧辊2 旋转，轧辊2通过摩擦力带动钛合金带材7匀速向收卷装置6方向传输；

通过沿带材运动方向间隔设置的两个固定不动的电接触装置(即第一支撑辊1和轧辊2) 将高能脉冲电源4与运动的钛合金带材7电连接，间歇地向钛合金带材7导入频率60-760Hz、 电压10-600V、脉冲宽度10-6000μs的高能脉冲电流，对钛合金带材7进行高能电脉冲处理， 使高能脉冲电流在钛合金带材7产生梯度焦耳热效应和非热效应，从而使得其内部的显微组 织呈现梯度分布；

处理后的钛合金带材7包括复数个梯度功能钛合金带材产品，通过裁切后，即制得梯度 功能钛合金带材产品。

图2示意性地表示了一种较佳实施例的制备过程，图2中用两个圆圈表示两个电接触装 置，用k表示二者之间的距离，用空心直线表示带材，箭头表示运动方向，v表示运动速度， 为了方便区分，在带材上用厚度表示带材被高能脉冲电流处理的时间，厚度越大表示被处理 时间越长(此处的厚度并不是表示带材的实际厚度发生了变化)，用a1、a2、a3分别表示三 个梯度功能钛合金带材产品，虚线表示裁切线。如图2所示，在该较佳实施例中，两个电接 触装置(即第一支撑辊1和轧辊2)之间的距离k与单个梯度功能钛合金带材产品的长度相 等，在间歇地向钛合金带材导入高能脉冲电流时，每次导入持续时间t1与带材运动速度v的 乘积与两个电接触装置之间的距离值k相等，且两次导入之间的间隔时间t2和每次导入持续 时间t1相等。可以看出，采用该方案能够实现在线连续生产。

图3示意性地表示了另一实施例的制备过程，图3中用两个圆圈表示两个电接触装置， 用k表示二者之间的距离，用空心直线表示带材，箭头表示运动方向，v表示运动速度，为 了方便区分，在带材上用厚度表示带材被高能脉冲电流处理的时间，厚度越大表示被处理时 间越长(此处的厚度并不是表示带材的实际厚度发生了变化)，用a1、a2、a3分别表示三个 梯度功能钛合金带材产品，b表示需要裁掉的废料，虚线表示裁切线。如图3所示，在该实 施例中，两个电接触装置(即第一支撑辊1和轧辊2)之间的距离k大于单个梯度功能钛合 金带材产品的长度，在间歇地向钛合金带材导入高能脉冲电流时，每次导入持续时间t1与带 材运动速度v的乘积小于两个电接触装置之间的距离值k，且两次导入之间的间隔时间t2大 于每次导入持续时间t1。可以看出，采用该方案也能够实现在线连续生产，但会浪费一些原 料。

钛合金带材7的运动速度优选0.6-160米/分钟。在实际应用中，对于具体不同截面尺寸、 不同来料状态、不同轧辊旋转速度(即带材运动速度)和要求高能脉冲处理后得到梯度变化 的状态(等轴化、双态化或者层片化)的钛带，输入的高能脉冲电流的工艺参数选择原则为：

1、按照集肤效应公式δ＝(π*μ*f/ρ)^-1/2，其中μ、ρ、f分别为磁导率，电阻率和频 率参数，δ为电流渗入材料表面的厚度。即带材的截面尺寸越大，相应输入的高能连续脉冲 频率须减小，以尽量减弱电流的集肤效应。

2、要求得到由准单相等轴组织、两相双态组织和魏氏体层片组织构成的功能梯度钛合金 带材时，高能脉冲电流参数为：频率60-760Hz，电压10-600V，脉冲宽度10-6000μs，电流 密度的幅值200A/mm²-6000A/mm²。

3、来料的硬度和带材运动速度越大，输入的高能连续脉冲电流的宽度、频率或者电流密 度幅值应越大才能达到应有的效果。

带材先通过与高能脉冲电源负输出端连接的电接触装置时，会出现打火现象，影响产品 表面质量，因此为了进一步提高产品的表面质量，优选使钛合金带材7先通过与高能脉冲电 源4正输出端连接的电接触装置(即第一支撑辊1)，后通过与高能脉冲电源4负输出端连接 的电接触装置(即轧辊2)。

在较佳实施例中，进一步还包括在送入电接触装置前对原料带材进行变形率大于5％的轧 制的步骤。更进一步还包括对轧制后的带材进行低温去应力退火的步骤。TC4钛合金带材经 过适当的变形后再经过低温去应力退火后材料内部出现了大量粗大的等轴α晶粒和块状的转 变贝塔相晶团，因此在钛材内部会出现微区电阻率不均，一旦瞬间高能电脉冲输入会导致微 区温度梯度，如因在等轴α-Ti和β-Ti的相界面处，晶界上β-Ti处的电阻率大而导致该处温度 高，从而增大了钛基体局部区域的固溶度和溶质原子扩散能力、加速了α-Ti的分解过程，从 而实现α-Ti相向β-Ti相的转变以及改善两相的形貌和分布。

进一步还可以包括对经过高能脉冲电流处理后的带材进行冷却的步骤。该冷却步骤在室 温下自然空气冷却即可，无需导入任何额外的冷却介质强制冷却。

在上述的梯度功能钛合金带材制备方法中，优选地将带材上的脉冲电流密度的幅值控制 在200A/mm²-6000A/mm²。

通过上述方法，可以用一根力学性能单一的TC4钛合金带材制成梯度功能TC4钛合金带 材，与采用分段高温热处理制备而后进行焊接的工艺制得的梯度功能钛合金带材相比，该梯 度功能TC4钛合金带材未经过焊接，而且弹性模量沿带材长度方向是连续变化的。

进一步地，通过上述方法可以制得以下的梯度功能钛合金带材：按显微组织结构区分， 所述梯度功能钛合金带材从一端到另一端依次由等轴化组织、双态化组织和层片化组织三段 组成，三段的长度占总长度的比值分别为14％-17％、38％-45％、41％-46％。更进一步，还可 以制得以下的梯度功能钛合金带材：所述等轴化组织为准单相粗大等轴组织和晶间的少量贝 塔相组成的准单相等轴化组织；所述双态化组织为转变贝塔相中薄层片状α-Ti和细小等轴状 α-Ti组成的两相双态组织；所述层片化组织由相互平行或成角度的粗大层片状α-Ti相和β-Ti 相组成的魏氏体层片组织。

一个具体实验：

来料为经过变形率为5％的轧制变形、再经过低温去应力退火后的TC4钛合金带材，厚 度为1.6mm，宽度为6.0mm，低温去应力退火后材料的显微组织如图4。

采用图1所示的系统，制备方法的参数如下：带材运动速度6米/分钟，两个电接触装置 之间的距离为360mm，高能脉冲电流参数为：频率360Hz，电压20V，脉冲宽度80μs，电流 密度的幅值600A/mm²。单个梯度功能钛合金带材产品的长度为360mm。

图4-6分别示出了制得的单个梯度功能钛合金带材产品的一端、中间和另一端的显微组 织结构。通过显微组织分析可以看出，制得的梯度功能钛合金带材产品一端的显微组织由原 始准单相粗大等轴组织和晶间的少量贝塔相组成；中间段的显微组织由于α-Ti向β-Ti发生转 变，由转变贝塔相中薄层片状α-Ti和细小等轴状α-Ti组成的两相双态组织，平均晶粒尺寸变 小；而另一端的显微组织由于相变继续发生，由相互平行或成角度的粗大层片状α-Ti相和β -Ti相组成魏氏体层片组织，组织粗大。

制得的单个梯度功能钛合金带材产品的力学性能实验数据如表1。

表1的力学实验数据表明了与未处理前低温去应力退火态TC4钛合金带材相比，高能电 脉冲处理的梯度功能钛合金带材的弹性模量沿处理方向呈梯度下降；高能电脉冲在线处理得 到的原始准单相等轴化组织的弹性模量最大，两相双态化组织次之，魏氏体层片化组织最次。 因此，经过高能电脉冲在线制备得到的梯度功能TC4钛合金带材是一种具有梯度力学性能的 钛合金材料。其中一端的弹性模量仅为另一端的56.84％，成功制备了传统热处理工艺无法制 备的功能梯度钛合金材料。