[发明专利]以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料的塑性加工技术领域，具体涉及一种以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备方法。

背景技术

钛及钛合金因优良的机械性能和物理性能，已广泛的应用于航空、航天，能源、电力、石油、化工、生物、医药等各个经济领域。美国，俄罗斯、日本以及欧洲各国从上世纪40年代就开始了海绵钛的工业化以及钛合金材料的大批量生产，我国也于1958年开始了海绵钛的试生产，现在已形成了完整的钛工业体系。但当钛合金材料发展到接近某种性能的最高限度时，单纯依靠改变固溶元素已很难在性能上有质的提高，此时发现通过两种途径可以获得性能更好的钛合金。一种途径是通过强塑性变形制备超细晶钛合金，超细晶组织含有大量的内界面和非平衡晶界结构，因而表现出许多不寻常的物理、化学和力学性能，通过这种细晶强化方式提高钛合金的强度。中国专利申请(申请号为200810017288.8，公开号为CN101219444A，公开日为2008年7月16日)公开了一种高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，该发明在室温下对工业纯钛进行了ECAP变形，提高了工业纯钛的室温强度及其综合力学性能，晶粒尺寸由原始的28μm细化到了0.25～0.3μm，室温屈服强度由390MPa提高到了680MPa，延伸率由36.4％下降到了16.8％。中国专利申请(申请号为200910023545.3，公开号为CN101624690A，公开日2010年1月13日)公开了一种难变形金属块材室温等径弯曲通道变形制备方法，该发明在室温下对工业纯钛进行了ECAP变形，原始晶粒尺寸为23μm，屈服强度407MPa，延伸率33％，经ECAP加工2道次后晶粒尺寸≤0.4μm，屈服强度738MPa，延伸率17％；8道次后晶粒尺寸≤0.25μm，屈服强度801MPa，延伸率30％。

另一种途径是向合金中添加增强体制备钛基复合材料以期获得更高的性能。钛基复合材料的研究始于上世纪70年代，美国航天飞机(NASP)和整体高性能涡轮发动机技术(IHPTET)以及欧洲、日本同类发展计划的实施给钛基复合材料发展提供了很好的机遇和巨大的资金保证，从而促进了钛基复合材料的发展使之成了上述年代材料科学领域的热点。钛基复合材料既保持了钛的优良性质又具有比钛更高的比强度和比模量。以上两种途径都使钛合金的性能得到了不同程度的提高，如果将这两种途径结合起来，研究和探索制备出超细晶的钛基复合材料，将对钛基复合材料的性能的全面提升具有重要作用。目前国内外尚未有关于超细晶钛基复合材料的组织性能研究的相关报道。

强塑性变形工艺(Severe Plastic Deformation，简称SPD)是在低温大应力条件下实现材料晶粒的纳米化的一种技术。该技术已经被国际材料学界公认为是制备块体纳米和超细晶材料的最有前景的方法。目前，实现SPD的方法主要有两种：大应力旋转法(High Pressure Torsion，HPT)、累积叠扎法(简称ARB)和等径转角挤压法(Equal Channel Angular Pressing，ECAP)。其中等径角挤压法是20世纪80年代前苏联学者Segal为获得纯剪切变形而开发的一种大塑性变形的方法。与其他方法相比，等径角挤压法的优势在于变形前后不改变材料的形状，制备工艺简单易行，成本低，晶粒细化效果明显，适合制备较大的块状细晶材料。等径弯曲通道变形(ECAP)技术是获得大尺寸亚微米或纳米级块体材料的有效方法之一。因此，将ECAP强塑性变形应用到多元多尺寸增强体混杂强化的钛基复合材料领域是值得科研工作者研究和探索的一个未知领域，尤其是揭示多元多尺寸增强体对基体钛合金在强塑性变形过程中的组织演变规律具有很好的理论研究价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备方法，该方法是在高温条件下采用内角Φ为90°～135°模具对钛基复合材料进行等径弯曲通道变形，从而获得超细晶的钛基复合材料。本发明提供的方法集成了等通道转角挤压技术和累积迭挤压技术，不但操作简单方便，而且成本低。

本发明的目的通过以下技术方案实现，本发明涉及一种以两相区钛合金为基体的超细晶钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)将钛基复合材料进行热加工，所述钛基复合材料由基体合金和增强体组成，所述基体合金为α+β两相区钛合金，所述增强体由TiC、稀土氧化物颗粒和TiB纤维组成，所述TiC、稀土氧化物颗粒和TiB纤维在钛基复合材料中的体积百分比含量分别为0～3％、0～3％和0～10％；