[发明专利]一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法

说明书

本发明提供了一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法。所述方法涉及将具有均匀粗晶微结构的工业纯钛在常温下进行轧制使总变形量达到至少70％，然后将工业纯钛放置在温度为430‑570℃的退火炉内真空退火10‑35分钟，待保温时间结束后立即取出，放置室温中冷却。通过该方法得到组织中同时具有纳米晶、超细晶及粗晶的多级结构。本发明通过对工业纯钛进行简单常温轧制结合短时退火处理，获得了具有高强度高塑性的多级结构工业纯钛，表现出优异的综合性能。

技术领域

本发明涉及一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

钛作为自然界中存在最广泛的金属，具有比强度高，耐蚀性好，生物相容性优良的特点而被广泛应用于航海、航空航天、工业等行业并占有重要地位。在一定程度上解决了许多工程技术难题，具有广阔的应用前景。随着航空航天及工业的快速发展，对纯钛的力学性能提出了更高的要求，而传统的粗晶纯钛由于其强度较低已很难满足要求，随着晶粒尺寸减小到纳米尺寸，纯钛的强度显著提高，但塑性又大量损失。所以，如何在提高其强度的同时，还使其保持优异的塑性成为纯钛性能调控方面的一大技术难题。

目前一个比较有效的方法是制备具有多级结构的材料，多级结构由于同时具有纳米晶和超细晶所提供的强度以及粗晶提供的塑性，故其具有良好的综合力学性能。目前主要通过直流电沉积技术实现晶粒沿着样品厚度的梯度变化，从外到内实现晶粒的多级结构，同时获得超强化和良好塑性，但该方法受到电沉积条件的制约。还可以借助各种塑性变形结合退火技术制备多尺度结构。先采用液氮低温变形方式使材料方式严重塑性变形进而积累高密度位错，从而提高其再结晶形核率，再通过后续退火中促进个别晶粒二次长大。但液氮低温轧制方式操作复杂，液氮冷却过程耗时较长，成本高，且液氮利用率低，在工业应用上具有一定的限制。且变形量通常需要达到90％以上，这又对塑性变形能力本就差的六方结构纯钛造成了在变形操作上的困难。在CN201610178632.6一种提高金属钛强度和拉伸塑性的制备方法中，是超细晶层片微结构的钛板中部分超细晶层片回复再结晶，必须采用异步轧制，操作复杂，并且在该退火条件下，需要80％以上的变形量才能保证其足够大的形变储能，保证其再结晶形核率。其变形量低就很难通过后续的退火形成具有高强度高塑性的钛材。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够简便、低成本实现工业纯钛的严重塑性变形，进而制备高强度高塑性工业纯钛的方法。本发明主要是通过简单常温轧制结合短时退火方式得到高强度高塑性多级结构工业纯钛。

本发明的实施方案如下：

一种高强度高塑性多级结构工业纯钛的制备方法，通过所述制备方法获得的工业纯钛显微组织中同时存在三种不同晶粒度范围的晶粒，其中，纳米晶的粒度范围为5-100nm，超细晶的粒度范围为100-1000nm，粗晶的粒度范围为1-3μm。

所述制备方法具体包括多道次大累积压下量的常温轧制和短时间中等温度的退火两个步骤：

(1)常温轧制：将具有均匀粗晶微结构的工业纯钛在常温下进行轧制变形，轧辊转动的线速度为150-250mm/s，轧制方式采用同步轧制，单道次变形量≤5％，反复轧制至总变形量至少为70％；

(2)真空退火：将上述轧制后的工业纯钛进行真空退火处理，退火温度为430-570℃，保温时间为10-35分钟，使得步骤(1)中获得的工业纯钛组织发生改变以获得具有纳米晶、超细晶、粗晶三种晶粒尺寸分布的工业纯钛。

进一步，轧制总变形量为70％。

对于钛这种密排六方结构金属，变形难度大，为了要求其有较高的的再结晶形核率，需求其有较大的变形量。其中，影响再结晶形核率的一个重要因素就是形变储能，直观体现就是变形量。即为变形量越大，其形变储能越大，在后续退火过程中再结晶形核率越高，力学性能越好。变形量低的纯钛很难通过后续的退火形成具有高强度高塑性的多级结构。