[发明专利]一种纤维晶增韧高强度超细晶纯钛及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纤维晶增韧高强度超细晶纯钛及其制备方法，微观结构由纤维晶粒与等轴超细晶粒混合构成，所述纤维晶粒的长轴与短轴的长度比例大于10且短轴尺寸为200nm～3μm，所述等轴超细晶粒的尺寸为50nm～1μm。纤维晶粒所占体积分数为20％～60％，该纤维晶增韧高强度超细晶纯钛的制备方法，包括以下步骤：(1)用1‑2道次拉拔调整纯钛的晶粒取向，获得钛棒材；(2)再进行1‑3道次高应变量旋锻；(3)再进行低温退火；(4)再进行多道次低应变量旋锻；(5)退火得纤维晶增韧高强度超细晶纯钛。本发明方法所制备纯钛的强韧性能远高于粗晶纯钛，可优选替代合金钛在生物植入体、医疗仪器方面的应用，且适于大尺寸纯钛的大规模制备。

技术领域

本发明涉及生物医学外科植入体或医疗仪器用金属结构材料技术领域，具体涉及一种纤维晶增韧高强度超细晶纯钛材料及其制备方法。

背景技术

纯钛材料具有优异的生物相容性和抗体液环境腐蚀性。相较于合金钛，纯钛不仅避免了Al、V、Cr、Co等合金元素对生物体的有害副作用，还避免了Nb、Ta、Mo等合金元素的高昂成本。但截至目前，纯钛的临床应用仍然远少于合金钛。该问题的核心原因在于常规纯钛的强度、抗疲劳性能、耐磨性低于合金钛。比如，标准GB/T 13810-2007(ISO 5832-2 2012、ASTM F67-13)所规定TA1(Grade 1)和TA2(Grade 2)纯钛的屈服强度分别为170MPa和275MPa，远低于合金钛强度。所以，开发具有高强韧性能的纯钛是拓展其作为结构型材料应用所亟待解决的问题。

通过剧烈塑性变形方法制备超细晶或者纳米晶纯钛能够有效提高材料强度，但该方法及所制备纯钛也面临诸多问题。首先，剧烈塑性变形产生的高密度晶界、位错等晶格缺陷严重限制了后续塑性变形能力，剪切断裂会在材料屈服之后快速发生，而且疲劳荷载环境下容易萌生裂纹。其次，密排六方结构纯钛的滑移系较少，室温或者低温条件下难变形，剧烈塑性应变过程中易萌生裂纹。比如，等通道转角挤压纯钛一般需要～400℃温度环境，而且晶粒细化效率较低。而且，等通道转角挤压、累积大应变轧制等剧烈塑性变形工艺生产效率低、产品尺寸小，不适于大规模工业生产。所以，单纯剧烈塑性变形很难制备具有高强韧性能的大块体纯钛。

在学术领域，在传统强韧化机理难以解决纯钛强韧化问题的条件下，一些科研人员受梯度结构强韧化机理启示，把表面机械纳米化方法用于制备由纳米晶表层和粗晶内部层构成的梯度结构纯钛。但是，由于表面纳米晶层太薄、粗糙度大、容易产生裂纹的原因，梯度结构纯钛的强韧性能仍然没有被有效提高。比如，Zhaowen Hung等人(Microstructuresand mechanical properties of commercially pure Ti processed by rotationallyaccelerated shot peening.Materials,2018；11：366-377)利用旋转加速喷丸制备梯度纯钛的屈服强度仅提高100MPa,约25％；A.V.Panin等人(The effect of ultrasonic impacttreatment on the deformation behavior of commercially pure titanium underuniaxial tension.Materials and design,2017；117：371–381)使用超声喷丸制备梯度材料的屈服强度仅提高60MPa而塑性却被大幅度降低。此外，结构梯度化工艺仍面临能耗高、生产效率低的问题。

截至目前，广泛应用纯钛材料的瓶颈仍在于：开发具有高强韧性能的纯钛以及相应的高效率制备工艺。在依据细晶强化、梯度耦合强化等机理及其相关工艺所得到的纯钛不能实现性能突破的情况下，需要从微观结构设计的角度探索新型强韧化微观结构及其工业化制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的纯钛高强韧性不足或者块体尺寸小不能替代钛合金来满足应用于生物医学外科植入体或医疗仪器用金属结构材料的要求，且目前的制备方法制备出的纯钛块体小，工业化生产效率低，能耗高。