[發明專利]一種雙尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210140277.5
• 申請日: 2012-05-08
• 公開（公告）號: CN102703756A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 龍雁;張紅英;李穎;王韜
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/04
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 盛佩珍

技術領域

本發明涉及鈦合金技術領域，具體是指一種雙尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的制備方法。

背景技術

隨著鈦合金制備成本的降低，該材料不僅應用于傳統的航空航天和海洋工程領域，而且在汽車、建筑等民用工業領域的應用也越來越廣泛。同時隨著科學技術的發展，對鈦合金力學性能的要求也越來越高，現有的鈦合金已不能滿足飛速發展的航空航天以及汽車、建筑、海洋工程等行業發展的要求，需要研發更高性能的鈦合金材料。Ti-6Al-4V合金是一種代表性的α+β兩相鈦合金，其用量占鈦合金總產量的50%以上，現在已經發展成為世界各國通用的鈦合金，因此如何進一步提高該合金的性能成為當前領域的一個研究熱點。

傳統的Ti-6Al-4V合金的制備通常采用鑄造法，獲得的晶粒粗大，一般在10μm以上，該合金經熱處理后屈服強度<1200MPa，伸長率可達到10%以上。近年來晶粒細化技術為研究高性能Ti-6Al-4V材料提供了可能。例如：氫處理技術、機械合金化技術、大塑性變形技術等。這些材料制備技術能將晶粒細化，使其晶粒尺寸達到1μm以下。大量關于超細晶Ti-6Al-4V材料力學性能的研究表明，晶粒細化可使Ti-6Al-4V材料的強度、硬度均顯著提高；然而在常溫、較大應變速率條件下超細晶Ti-6Al-4V材料的塑性卻普遍低于常規粗晶態的材料（<10%）。

現有研究表明在超細晶基體中引入一定比例的微米晶形成晶粒尺寸呈雙尺度分布的組織有可能解決超細晶材料塑性偏低的問題。S.Zherebtsov等人在“多向熱鍛法制備超細晶兩相鈦合金的強度和塑性”（Materials?Science?andEngineering?A，2012，536：190-196）中公開了獲得雙尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的大塑性變形法，它首先通過空冷獲得粗晶態的Ti-6Al-4V材料，其組織為球狀α相和片層狀α+β相，然后采用多向熱鍛法制備出雙尺度晶粒Ti-6Al-4V材料，其細晶區和粗晶區的平均晶粒尺寸分別為300nm和10μm，細晶區的體積分數大約為40%。該材料的強度與單一尺度的超細晶Ti-6Al-4V材料相當，而塑性卻提高了20–60%。

大塑性變形法雖然能制備出無缺陷的雙尺度晶粒Ti-6Al-4V材料，但是也存在一定的局限性。通過大塑性變形法，難以控制塑性變形后材料的晶粒尺寸和組織中粗晶區的體積百分比，使得組織的可重復性差，材料的力學性能不穩定。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供一種雙尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的制備方法，以實現近凈成型，并獲得近全致密的塊體材料，其顯微組織中粗晶區和細晶區均勻分布，粗晶區與細晶區的比例可任意調節和精確控制，從而改善Ti-6Al-4V在室溫下的綜合力學性能。

一種雙尺度晶粒Ti-6Al-4V材料的制備方法，其特征在于：采用高能球磨和放電等離子燒結技術相結合的成形方法，它包括如下步驟及其工藝條件：

步驟一：高能球磨制備超細晶/納米晶Ti-6Al-4V粉末

在惰性氣體的保護下，將晶粒尺寸>1μm的原料Ti-6Al-4V粉末和磨球置于不銹鋼球磨罐中進行高能球磨，隨著球磨時間的延長，粉末內部的晶粒不斷細化，高能球磨全過程中分段取粉，獲得晶粒細化程度不同的粉末，其中超細晶粉末晶粒尺寸分布范圍在100nm~1μm之間，納米晶粉末晶粒尺寸分布范圍在10nm~100nm之間；

步驟二：不同晶粒尺寸的Ti-6Al-4V粉末的混合

將原料粉末和高能球磨所得到的超細晶粉末兩者中的一種與高能球磨所得到的納米晶粉末按任意質量比配料并均勻混合；

步驟三：放電等離子燒結

采用放電等離子燒結爐燒結步驟二中的混合粉末，其工藝條件如下：

燒結設備：放電等離子燒結系統

燒結電流類型：直流脈沖電流

燒結溫度：700℃~950℃

保溫時間：1~10min

燒結壓力：45MPa以上

升溫速率：50~250℃/min

經燒結獲得晶粒尺寸呈雙尺度分布的Ti-6Al-4V材料，其中粗晶區的晶粒尺寸在1μm~150μm之間，細晶區的晶粒尺寸在100nm~1μm之間。

所述超細晶粉末和納米晶粉末按最優質量比為1：1~4配料并均勻混合。

所述原料粉末和納米晶粉末按最優質量比為1：1~4配料并均勻混合。

本發明與現有技術相比具有如下突出的優點：