[發明專利]梯度功能鈦合金帶材及制備方法

有效

• 申請號: 201510035529.1
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104630679B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 唐國翌;葉肖鑫;宋國林
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: C22F3/00
• 分類號: C22F3/00;B21B1/22
• 代理公司: 深圳市匯力通專利商標代理有限公司44257
• 代理人: 李保明,張慧芳

技術領域

本發明涉及鈦合金帶材及制備方法，特別涉及一種彈性模量梯度分布的鈦合金帶材的制備方法，以及涉及采用該方法制得的一種梯度功能TC4鈦合金帶材。

背景技術

隨著世界性的能源危機和環境污染問題日趨嚴重，為了降低能耗和減少機動機械尾氣排放造成的環境污染，在航空、航天、汽車和生物醫用等領域，結構輕量化所帶來的效益十分顯著，包括可以提高機動工具的機動性，減少油耗，降低了對運送工具的要求和運送的費用。汽車、商(軍)用飛行器是量大而廣的交通工具，材料結構微小的改進，就會產生顯著的經濟效益。傳統的結構材料(鋼鐵、鋁等)在國民經濟中面臨節能、降耗、減排和環保的嚴峻形勢。在這種情況下，應用和開發輕質結構材料鈦合金，已成為近幾年國內外研究和發展的熱點和重點。

鈦合金是一種重要的輕質結構材料，尤其是鈦合金具有密度低、強度高、耐腐蝕性強、可焊、中溫性能好和無磁等優點，使之在航空、航天、船艦、兵器、核能、交通運輸產業、軍事和電子、信息產業和生物醫用等領域有著廣泛的應用。因此金屬鈦合金被譽為“21世紀最重要的綠色工程材料”和“21世紀最重要的生物醫用金屬材料”。

近年來，TC4鈦合金作為最重要的王牌商業鈦合金之一得到飛速的發展和廣泛的應用，但TC4鈦合金單一的力學性能和較大的彈性模量在很大程度上限制了變形鈦合金在航空發動機和醫用植入物等方面的進一步應用。對TC4鈦合金進行適當的變形和后續熱處理(如高溫相變熱處理)，可大幅度降低其彈性模量；采用分段熱處理然后將不同組織和性能的材料進行后續焊接處理(如攪拌摩擦焊接)，可實現制備梯度功能鈦合金材料，而這種低彈性模量、更多樣化梯度力學性能的梯度功能TC4鈦合金應具有更廣泛的市場應用前景和更廣闊的發展空間。

一般的兩相TC4鈦合金經過低溫去應力退火后冷卻至室溫的組織由α-Ti準單相等軸組織組成，其中少量轉變β-Ti以塊狀形式存在于晶界和晶粒交叉處，在晶團內部擁有細小的次生α-Ti相。轉變貝塔相、初生等軸阿爾法相和次生阿爾法相的尺寸由具體的材料成分、熱處理(加工)工藝、冷卻工藝和冷卻介質等因素有關。有研究報道，Ti-Al-V系列鈦合金變形后再經過低溫去應力退火熱處理可使材料轉變為以等軸阿爾法相為基體，同時在少量的殘留貝塔相中以細小層片狀或者等軸狀的形式均勻、彌散分布于晶界和晶內，從而降低其彈性模量。盡管如此，TC4鈦合金經過上述處理后，仍然有大量粗大的等軸狀α相以及抱團的轉變β相晶塊。擁有這種組織的TC4鈦合金在后續變形或者在承受外部載荷的過程中，晶界處粗大的等軸狀α-Ti和成團的轉變β晶塊處容易阻礙彈性變形的發生，形成應力阻滯現象，容易造成材料的彈性模量過大，由此產生材料過早的失效或者與人體軟(硬)組織力學相容性不好的問題，因此α-Ti和β-Ti的數量、分布和形貌特征嚴重影響了TC4鈦合金的力學性能。另外，如飛機渦輪發動機葉片和人體骨組織植入材料不同部位需要滿足各自不同的力學特性，以滿足其實際服役于多性能要求的復雜環境，這就要求材料具備梯度功能的力學性能。

很明顯，如果要在此基礎上進一步降低TC4鈦合金的彈性模量，并實現其功能梯度分布的特性，只有改善其中兩相的分布和形貌使之朝有利于其彈性模量降低的方向發展，同時還需要實現顯微組織的梯度分布以期制備梯度功能材料，滿足實際復雜的服役環境。