[发明专利]一种实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料表面处理技术领域，具体是一种实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法。

背景技术

钛合金具有很多优异的性质，如高比强度、高耐热性能、生物相容性以及优良的抗蚀性等，并已在航空、造船、医疗等领域获得广泛应用。无论怎样，钛合金的导热性和耐磨损性相对较差，从而也限制了它的一些应用场合。通过对其表面进行纳米化处理，可以有效改善其表面物理化学性质以及力学性能，从而增强其对应用环境的适应性。研究表明，通过对工业纯钛表面进行纳米化处理，其表面硬度可以提高35%，弹性模量提高15%，表面摩擦系数下降约50%。对于β型钛合金而言，如Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn合金，表面纳米化后则可有效提高其生物医学性能。在双相钛合金的研究中也显示出显著增强的表面力学性能以及耐腐蚀性能。目前，对于单相钛合金的表面纳米化机制已经被提出，对于α型钛合金（由于其为密排六方结构）主要借助孪生系统的交互作用、密排位错墙的形成以及微区成核等变化来实现表面晶粒的纳米化；对于β型钛合金，考虑到其为体心立方结构（具有较多滑移系统），其表面结构的纳米化则主要依靠位错缠结、位错胞等亚结构的形成以及形变再结晶的作用。但对于双相钛合金的表面纳米化研究相对还较少，特别对于双相钛合金中各相在机械形变过程中的相互协调作用以及两相的相对含量对最终表面纳米化结构形成的影响机制还有待进一步研究。不管怎样，如何在双相钛合金表面获得良好的纳米结构层是对上述研究工作及应用顺利展开的关键所在。

当前，在块状粗晶材料上获得纳米结构表层主要有三种方式：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合纳米化方式。对于表面涂层或沉积，表层与基体之间存在的界面不可避免，往往会发生开裂现象，此外外形尺寸与处理前相比有所增加导致尺寸精度下降。表面自身纳米化则很好地规避了上述的缺点。现行最为广泛使用的表面自身纳米化方法有表面机械研磨（SMAT）、超音速颗粒轰击法、气动喷丸法等，这些方法主要通过短时间输入大量能量以造成样品表面产生严重的塑性变形而实现纳米化，但会导致表面平整性破坏以及粗糙度增大，同时有些方法存在成本较高的缺陷。另外一方面，对于一些特殊的零件，如管状零件，欲实现其表面均匀纳米化，通过上述方法将很难实现。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种实现双相钛合金管状零件内外表面纳米化结构的方法，通过机械合金化方法对经改装的球磨罐实施高能球磨，从而实现双相钛合金管状零件表面的纳米化，操作简单，投资少，效率高，能耗低，无污染，易于实现工业化生产。

本发明包括以下步骤：

1）机加工出双相钛合金管状零件，并对其表面打磨并用酒精清洗，之后进行扩散退火处理；

2）对双相钛合金管状零件内表面进行处理；

2.1）选取直径与双相钛合金管状零件相同，高度为双相钛合金管状零件2-3倍的球磨罐进行改造，将球磨罐中段部分切掉与双相钛合金管状零件高度相同的管状部段；

2.2）将双相钛合金管状零件与切割剩余的球磨罐上下两个部段通过销钉进行组装，在连接处放入橡皮圈保证连接处的气密性；

2.3）用酒精对双相钛合金管状零件内表面多次清洗，之后烘干，再放入直径大小不等的钢球若干，在优化的工艺参数下进行高能球磨；同时为保证球磨阶段不发生氧化，向球磨罐中通入氩气作为保护气氛；

3）对双相钛合金管状零件外表面进行处理；

3.1）选取直径为双相钛合金管状零件1.5-2倍，高度为与双相钛合金管状零件等高的球磨罐；

3.2）将双相钛合金管状零件放入球磨罐中心部位，双相钛合金管状零件底部通过销钉与球磨罐进行组装，在连接处放入橡皮圈保证连接处的气密性；

3.3）用酒精对双相钛合金管状零件外表面多次清洗，之后烘干，再向球磨罐中放入直径大小不等的钢球若干，进行高能球磨；同时为保证球磨阶段不发生氧化，向球磨罐中通入氩气作为保护气氛。

进一步改进，所述的双相钛合金管状零件选用的为含不同质量分数β相双相钛合金TC1、TC2、TC3、TC4中的任意一种，初始α晶粒平均大小为5-10μm，初始β晶粒平均大小为2-5μm。

进一步改进，步骤1）所述的扩散退火处理，具体实施为等温退火800-860 ℃保温0.8-1.2h，随炉冷却至500-560 ℃保温1.2-1.5h，而后空冷，退火在真空或者氩气气氛环境中进行。