[发明专利]一种高强度抗氢脆纯钛及其制备方法

说明书

本发明涉及钛及钛合金的加工、力学性能和氢脆敏感性领域，具体为一种高强度抗氢脆纯钛及其制备方法。高强度抗氢脆纯钛的微观结构由粗晶、超细晶、纳米晶和变形孪晶组成，其制备方法包括以下步骤：对原始纯钛棒材在液氮温度下进行高应变速率压缩变形，得到冷变形组织的高强度纯钛，对变形后的纯钛先进行石英封管，然后在450～500℃退火0.5～1小时，得到含有大量小角度晶界和高密度变形孪晶的纯钛。本发明通过对工业纯钛进行简单的单次变形结合单次退火处理，获得了同时具备高强度和优良抗氢脆能力的纯钛，具有方法简便，可操作性强的特点，一定程度上拓展了纯钛在海洋环境和人体植入环境的应用。

技术领域

本发明涉及钛及钛合金的加工、力学性能和氢脆敏感性领域，具体为一种高强度抗氢脆纯钛及其制备方法，适用于在海洋环境以及人体植入环境等氢含量较高的苛刻环境中服役的纯钛结构材料。

背景技术

钛及钛合金具有优良的耐蚀性、高比强度和较好的生物相容性等综合性能，在航天、海洋、医学领域具有广泛应用。但是在实际的工程应用中往往存在两类需要解决的问题，一是纯钛的强度不够(400MPa左右)，难以满足日渐提高的工程服役要求；二是钛及钛合金往往具有较强的氢脆敏感性，这是因为其属于典型氢化物形成体系，在海洋或潮湿环境中服役时，氢通过电化学阴极反应析出，向钛合金晶格中迁移，在α相内部或α/β相界面处形成脆性的氢化物，受力时氢化物优先开裂，造成钛合金的氢脆。

从提高强度角度考虑，金属材料的强化方式主要有四种：固溶强化、析出强化、细晶强化和形变强化。由于纯钛含有的合金元素种类和浓度极低，所以其强化方式主要为细晶强化和形变强化。纯钛是密排六方(hcp)结构(c/a＝1.587)，其塑性变形的主要特点是除了位错滑移以外还存在变形孪晶。位错与孪晶之间的相互作用对于纯钛的力学性能产生重要影响，研究表明位错在晶界的塞积和位错的反应能够促使变形孪晶的形核。应变速率和温度是影响纯钛的塑性变形的决定性参数，由于位错是一种热激活过程，而变形孪晶对温度不敏感，因此在低温下，纯钛在塑性变形中会同时启动大量变形孪晶和高密度位错，孪晶的存在可以切割原始晶粒从而有效阻碍位错的运动，另一方面可以调整原始晶粒由硬取向向软取向转变，这样即提高了纯钛的强度又可以维持一定程度的塑性；另一方面，高应变速率下纯钛的塑性变形中产生的大量位错在后续的退火过程中会演变为位错胞、亚晶界或者小角度晶界，而变形孪晶对温度不敏感，合适的退火制度不会导致退孪晶现象的发生。

从降低氢脆敏感性角度考虑，氢是一种有害但又难以完全避免的杂质元素，氢来源于大气或在含氢环境中服役时进入到材料内部的氢和电化学阴极反映过程产生的氢，它会引起钛的韧性的降低，严重时会导致氢脆。氢进入到金属内部的过程分为四个阶段：1气体分子向金属表面扩散，2在金属表面上分子的吸附、分解和化学吸着，3由化学吸着层向晶格中的原子转移，4金属晶格中原子的转移。钛在塑性变形过程形成的小角度晶界和孪晶界，属于低能量界面，而钛及钛合金发生氢致开裂的根本原因在于大量脆性氢化物的形成，通过降低界面能量可以改变氢元素偏聚的热力学条件，从而抑制氢化物形核，达到有效降低其氢脆敏感性的目的。具体包括以下三点：1晶界体积的显著增加，有效分散了聚集于晶界的氢含量；2晶粒在变形孪晶形成进程中会发生取向变化，进一步降低氢元素的偏析从而减少氢化物的析出；3高应变速率变形过程中可能发生的hcp结构向fcc结构的转变，可提高氢在Ti晶格中的固溶度，从而抑制氢化物的形核。