[發明專利]一種基于脈沖電流相變效應的高強韌金屬材料的制備方法

有效

• 申請號: 201610527965.5
• 申請日: 2016-07-05
• 公開（公告）號: CN106011419B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 楊超;林建安;屈盛官;王芬;李小強;張衛文;李元元
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C21D8/00
• 分類號: C21D8/00;C22F1/18;C22F1/10
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 羅嘯秋

技術領域

本發明屬于金屬材料加工技術領域，具體涉及一種基于脈沖電流相變效應的高強韌金屬材料的制備方法。

背景技術

通常情況下，晶粒尺寸大小對強度和塑性的貢獻相反，這導致了高強度和高塑性很難同時存在于金屬結構材料中。因此，追求金屬結構材料的高強韌化，一直以來都是科研工作者努力的目標。以工業純鈦為例，作為一種先進的輕量化金屬結構材料，純鈦具有比強度高、耐熱性好、耐腐蝕性優異及生物相容性良好等突出優點，廣泛應用于航空、航天、船舶、國防裝備、化工、醫療、能源等領域。然而，不斷提高的使役性能要求科研工作者不斷改進制備工藝，以不斷優化純鈦的結構，進而同步提高其強度和塑性，以滿足更苛刻條件下的應用。由于純鈦在室溫下為密排六方晶體結構，該晶體結構對稱性差，滑移系少，從而大幅降低了該材料的塑性。因此，有必要采取改進的制備工藝提高純鈦的強韌性。

目前，工業應用中提高純鈦綜合力學性能的最有效和最成熟方法是晶粒細化。其中，劇塑性變形法是細化純鈦晶粒的最有效方式，主要包括等徑角擠壓、冷軋和高壓等技術。近些年來，將等徑角擠壓和冷軋兩種工藝相結合來制備高強韌純鈦也越來越受到研究工作者們的青睞。

但是，由于純鈦的密排六方晶體結構特點，單純通過晶粒細化來改善其強韌性往往不能起到很好的效果。經過現有技術的文獻檢索發現：V.V.Stolyarov等曾在《材料科學與工程A》報到了關于《ECAP擠壓路徑對純鈦微觀組織及性能的影響》的論文(參考文獻1，Influence of ECAP routes on the microstructure and properties of pure Ti,Materials Science and Engineering A 299,2001,59-67)。該研究表明：當對1級純鈦TA1進行8道次等徑角擠壓處理后，純鈦TA1的抗拉強度從粗晶(10μm)的460MPa提高到超細晶(260nm)的710MPa，然而延伸率卻只有14％。D.K.Yang等曾在《材料學刊》上發表了一篇關于《通過得到多尺度結構來同時提高鈦的強度和塑性》的論文(參考文獻2，Simultaneously enhanced strength and ductility of titanium via multimodal grain structure,Scripta Materialia 63,2010,941-944)。該研究表明：當對純鈦進行83％冷軋加300℃保溫1h退火后發現，純鈦組織變為多尺度結構(50-200nm)，抗拉強度提高到945MPa，但延伸率僅為23％。

有鑒于此，科研工作者不斷改進制備技術工藝來提高純鈦的塑性。作為一種新型的粉末活化燒結工藝技術，放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering，SPS)是一種集電場、應力場和溫度場等三場耦合作用的材料成形技術，該技術與熱壓、熱等靜壓和無壓燒結技術相比，具有更明顯的優勢：溫度低、時間短(只需幾分鐘)、升溫和降溫速率快(可提供高達幾百K/min的升溫和冷卻速率)、可以有效抑制晶粒長大、生產效率高。但是，如何通過放電等離子燒結技術來控制金屬材料的相轉變，調節金屬材料的微觀組織結構，進而獲得優化的強度和塑性卻鮮有報道。

發明內容

為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種基于脈沖電流相變效應的高強韌金屬材料的制備方法。

本發明的另一目的在于提供一種通過上述方法制備得到的基于脈沖電流相變效應的高強韌金屬材料。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種基于脈沖電流相變效應的高強韌金屬材料的制備方法，包括如下制備步驟：

(1)高溫形變處理：將金屬鑄錠于800℃-850℃下進行高溫形變，以獲得所需形狀和尺寸的、晶粒細化的坯料；

(2)高溫退火處理：對步驟(1)獲得的坯料進行高溫退火處理，以實現在消除殘余應力的同時，獲得晶粒分布均勻的等軸晶結構材料；

(3)脈沖電流相變處理：將步驟(2)退火制得的材料裝入模具內，通過放電等離子燒結系統對其進行基于脈沖電流效應的無壓相變處理，得到基于脈沖電流相變效應的高強韌金屬材料；所述脈沖電流效應的無壓相變處理的具體工藝參數如下：

脈沖電流設備：放電等離子燒結系統；

脈沖電流強度：1400A～1900A；

相變處理溫度T：約高于金屬材料相轉變溫度40℃～100℃的溫度區間；如對于同素異構轉變溫度882℃的純鈦，920℃<T<980℃。