[发明专利]一种在金属钛表面制备纳米孪晶层的方法

说明书

一种在金属钛表面制备纳米孪晶层的方法，按以下步骤进行：（1）将海绵钛放入真空自耗电弧炉的坩埚中，预热除去水份，将温度升到1800±10℃熔炼至少1小时，浇注；（2）加热工业纯钛铸锭至800~900℃，保温0.5~1h，然后热轧，最后再进行再结晶退火处理，退火后冷却到室温；（3）切出断面，进行机械抛光和研磨，用有机溶剂清洗；（4）置于真空条件下，进行强流脉冲电子束处理。本发明方法工艺简单，操作方便，工业纯钛表面形成了大量的纳米孪晶，这对于提高材料表面性能具有重要意义和实用价值。

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，特别涉及一种在金属钛表面制备纳米孪晶层的方法。

背景技术

孪晶界是一种特殊的低能态共格晶界，孪晶界两侧的晶格呈镜面对称；由于孪晶界与位错间存在特殊的相互作用，利用纳米尺度孪晶界可实现晶体材料的增强增韧；因此，纳米孪晶可以明显提高材料的力学性能和耐腐蚀性能。

强流脉冲电子束是最近几年发展的一种新型表面改性技术，其作为一种高密度能量源，在材料近表层附近沉积了大量的能量，并且产生了快速加热和冷却过程，该过程的循环往复导致了表面复杂的温度场和应力场的产生，进而导致材料组织发生了明显变化；由于快速熔化或蒸发加热，热应力以及自淬火等过程的产生，导致了表面非平衡结构的形成，例如纳米晶，准晶，非晶等亚稳态结构，这些结构的产生提高了材料表面的物理和化学性能。

工业纯钛具有优良的冲压工艺性能和焊接性能，对热处理及组织类型不敏感，在令人满意的塑性条件下具有一定的强度；它的强度主要取决于间隙元素氧、氮的含量。它在海水中具有高的抗腐蚀性能，但在无机酸中较差，一般用于制造在-253～350℃温度下工作的、受力不大的各种板材零件或锻件，也可制造铆钉线材和管材，甚至可以应用于医学种植体器件等；强流脉冲电子束处理能够明显细化工业纯钛表面的组织，从而使得其表面性能得到显著的提高，尽管国内外文献报道过强流脉冲电子束处理纯钛的研究，但没有报道纳米孪晶层的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种在金属钛表面制备纳米孪晶层的方法，将工业纯钛经过轧制和再结晶退火处理形成退火孪晶，然后将电子束施加在经过再结晶退火处理的工业纯钛表面上，从而获得了纳米孪晶，显著提高了材料的耐腐蚀性。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、将海绵钛放入真空自耗电弧炉的坩埚中，利用控温仪将温度调节在300±10℃，预热海绵钛至少30分钟以除去水份，然后将温度升到1800±10℃，熔炼至少1小时以保证海绵钛完全熔化，再将熔化的物料浇注到铸铁模具内，冷却至常温得到工业纯钛铸锭；

2、加热工业纯钛铸锭至800~900℃，保温0.5~1h，然后热轧，开轧温度850~900℃，终轧温度700~750℃，总压下量为60~70％，最后再进行再结晶退火处理，退火温度600~700℃，时间10~50分钟；退火后冷却到室温，获得铸锭；

3、利用线切割在铸锭上切出断面，然后对断面进行机械抛光和研磨至表面光亮，再用有机溶剂将其表面清洗干净，获得试样；

4、将试样置于真空≤6×10^-3Pa条件下，对其表面进行强流脉冲电子束处理，加速电压为20~25KV，脉冲次数为25次，能量密度为2~4J/cm²，在金属钛表面获得纳米孪晶层。

上述步骤（3）的有机溶剂为乙醇或丙酮。

本发明通过工业纯钛的轧制消除冶炼纯钛过程中的铸造缺陷，以优化其微观组织结构；通过再结晶退火处理先向工业纯钛中引入退火孪晶，然后对其表面施加强流脉冲电子束处理，从而获得纳米孪晶，使得材料表面的电化学耐腐蚀性明显提高；并且电子束表面改性工艺是在真空条件下进行，能够有效避免合金表面被氧化；本发明方法工艺简单，操作方便，工业纯钛表面形成了大量的纳米孪晶，这对于提高材料表面性能具有重要意义和实用价值。

附图说明