[發明專利]一種高熱穩定性等軸納米晶Ti-Zr-Ni合金及其制備方法

有效

• 申請號: 202011055214.0
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112342435B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 王海;任玲;張書源;楊柯
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/02;C22F1/18;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

本發明涉及鈦合金材料領域，具體為一種高熱穩定性等軸納米晶Ti?Zr?Ni合金及其制備方法。該鈦合金的化學成分如下(重量％)：Zr：12.0～18.0；Ni：0.01～5.0；余量為Ti。該鈦合金的制備方法如下：首先，在870℃以上保溫一段時間后，快速冷卻至室溫以獲得納米板條前驅體；隨后對納米板條前驅體在溫度為720～780℃，應變速率為0.1～4s^?1的范圍內進行熱變形，總應變量大于等于70％，使納米板條前驅體轉變為等軸納米晶結構。本發明所制備的高熱穩定性納米晶Ti?Zr?Ni合金具有優異的綜合力學性能，可廣泛應用于航空航天、生物醫療、石油化工、汽車工業和海洋工程等諸多重要領域。

技術領域

本發明涉及鈦合金材料領域，具體為一種高熱穩定性等軸納米晶Ti-Zr-Ni合金及其制備方法。

背景技術

鈦合金以其高強度、低密度、優異的耐腐蝕性能和良好的生物相容性，被廣泛應用于航空航天、生物醫療、石油化工、汽車工業和海洋工程等重要領域。隨著近年來經濟技術的飛速發展，需要研發具有更高性能的新型鈦合金材料。與傳統粗晶鈦合金相比，納米晶鈦合金具有更高的強度與塑性、較大的疲勞強度、高溫超塑性等優異的綜合力學性能，同時它還具有良好的耐磨性、極佳的生物相容性以及諸多獨特的物理化學性能，這些在實際應用中極具吸引力，制備納米晶鈦合金為傳統鈦合金的性能優化開辟了新途徑。

目前，塊體納米晶金屬材料的制備主要是通過大塑性變形(SPD)法來實現的。常見的大塑性變形法包括等通道轉角擠壓(ECAP)、累積復合軋制(ARB)、多向鍛造(MF)和高壓扭轉(HPT)等，這些方法均需要依靠大功率設備及昂貴的模具，所制備材料的尺寸也較小，無法滿足規模化工業生產的需要。此外，納米晶金屬材料的組織熱穩定性是制約其應用與發展的另一重要瓶頸。當晶粒尺寸細化至納米級時，材料內界面的數量將遠高于傳統粗晶材料，界面能的升高使組織熱穩定性顯著下降，某些納米晶金屬材料甚至可以在室溫條件下發生組織回復和晶粒長大，使材料喪失原有優異的性能。

本發明提供了一種高熱穩定性的納米晶Ti-Zr-Ni合金，實現了納米晶鈦合金的低成本和規模化制備，為鈦工業的發展帶來新的基礎與機遇。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高熱穩定性的等軸納米晶Ti-Zr-Ni合金，為實現上述目標，本發明的技術方案是：

一種高熱穩定性的等軸納米晶Ti-Zr-Ni合金，按重量百分比計，該鈦合金的化學成分為：Zr：12.0～18.0(優選為15.0～17.2)；Ni：0.01～5.0(優選為2.5～4.1)；余量為Ti。

本發明所述高熱穩定性的等軸納米晶Ti-Zr-Ni合金的制備方法為：采用真空自耗爐熔煉多次，獲得原材料鑄錠，鑄錠修磨后經過1050℃以上開坯鍛造、精鍛加工成坯，后經熱變形獲得等軸納米晶Ti-Zr-Ni合金。

精鍛加工所得坯料在870℃以上保溫一段時間后，快速冷卻至室溫，獲得納米板條前驅體；對所得納米板條前驅體進行熱變形，最終獲得等軸納米晶Ti-Zr-Ni合金。

作為優選的技術方案：

在870℃以上，保溫時間t＝(3.0～3.5)Dmin，其中，D為試樣的有效厚度，單位為毫米mm。

所得坯料在870℃-1250℃保溫一段時間后，快速冷卻至室溫。

快速冷卻的冷卻速率在25～300℃/s之間。

所述納米板條前驅體在溫度為720～780℃，應變速率為0.1～4s^-1的范圍內進行熱變形，總應變量大于等于70％。優選為：熱變形溫度為725～740℃，應變速率為0.2～0.8s^-1，總應變量為90～95％。

采用本發明所述方法制備所得納米晶材料的顯微組織為等軸α組織，晶粒尺寸在20～170nm之間；在溫度為650℃及以下時效5h以內，晶粒不發生粗化長大。