一種超細(xì)晶Ti-6Al-4V合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鈦合金制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超細(xì)晶T1-6A1-4V合金的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐熱及耐腐蝕性好、生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天、國(guó)防軍工、航海、汽車、體育及生物醫(yī)療等領(lǐng)域。T1-6A1-4V合金是一種具有代表性的(α+β)兩相鈦合金，其用量占鈦合金總產(chǎn)量的50%以上，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為世界各國(guó)通用的鈦合金，因此如何進(jìn)一步提高該合金的性能成為當(dāng)前領(lǐng)域的一個(gè)研宄熱點(diǎn)。隨著宇航工業(yè)、汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)鈦合金的性能，尤其是力學(xué)性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的T1-6A1-4V合金制備方法通常采用鑄造法，獲得的晶粒較粗大，一般在10 μ m以上，經(jīng)熱處理后屈服強(qiáng)度<1200MPa。近年來(lái)晶粒細(xì)化技術(shù)為研制高性能的T1-6A1-4V合金材料提供了可能:通過(guò)晶粒細(xì)化的方法，可使該合金的晶粒尺寸達(dá)到Iym以下，從而使其屈服強(qiáng)度提高至1200MPa以上。
[0003]目前，超細(xì)晶材料的制備工藝根據(jù)其工藝路線可以劃分為兩大類:
[0004]一是所謂的“自上而下”法(Top-bottom)，其中最典型的例子就是劇塑性變形法，通過(guò)在變形過(guò)程中引入大的應(yīng)變量(應(yīng)變量大于I)，使材料的內(nèi)部組織細(xì)化至超細(xì)晶量級(jí)。目前已經(jīng)被開發(fā)的制備塊體超細(xì)晶材料的劇烈塑性變形方法主要有以下幾種:高壓扭轉(zhuǎn)法、等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形法、疊層軋合技術(shù)、反復(fù)彎曲-平直法等。其中高壓扭轉(zhuǎn)與等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形法是目前研宄最多的兩種劇烈塑性變形方法。
[0005]二是所謂的“自下而上”法(Bottom-up)，指的是首先制備出超細(xì)晶、納米晶粉末，再通過(guò)各種粉末壓制和燒結(jié)方法將其固結(jié)為塊體材料?！白韵露稀狈ㄖ幸苑勰┮苯鸱ㄗ罹叽硇?，常見的制備超細(xì)晶材料的粉末冶金燒結(jié)工藝有真空燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓、準(zhǔn)等靜壓鍛造、放電等離子燒結(jié)等。“自下而上”法的缺點(diǎn)在于:由于粉末固結(jié)不充分而導(dǎo)致材料內(nèi)部存在殘余孔隙以及制備過(guò)程中引入一定量的雜質(zhì)，這些將對(duì)塊體材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，因此通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)制備出致密塊體材料顯得極為重要。
[0006]放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種集熱壓燒結(jié)和脈沖電流燒結(jié)為一體的新型粉末快速固結(jié)技術(shù)。在高頻、瞬間脈沖電流的作用下，粉末顆粒間可能會(huì)產(chǎn)生脈沖放電效應(yīng)，激發(fā)出等離子體，對(duì)粉末表面起到凈化和活化的作用，從而大大促進(jìn)了粉末間的擴(kuò)散；另外，電流通過(guò)金屬粉末將產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)，使粉末實(shí)現(xiàn)快速加熱。由于SPS特殊的燒結(jié)方式，它具有升溫速率快，燒結(jié)時(shí)間短，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)材料密度高、晶粒細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)，從而在制備超細(xì)晶、納米晶金屬材料方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。此外，由于SPS工藝流程較短，燒結(jié)過(guò)程中引入的雜質(zhì)含量也可以得到有效的控制。
[0007]在通過(guò)SPS方法對(duì)超細(xì)晶、納米晶粉末進(jìn)行燒結(jié)的過(guò)程中，由于常用石墨模具材料的強(qiáng)度限制，通常采用較低的機(jī)械壓力進(jìn)行燒結(jié)(燒結(jié)壓力通常在50?10MPa之間)，此時(shí)需要適當(dāng)提高燒結(jié)溫度，從而使燒結(jié)塊體材料接近或達(dá)到全致密；然而，燒結(jié)溫度過(guò)高往往會(huì)導(dǎo)致納米晶、超細(xì)晶粉末的晶粒迅速長(zhǎng)大或出現(xiàn)局部再結(jié)晶，從而無(wú)法獲得單一尺度且晶粒細(xì)小的超細(xì)晶金屬塊體材料。以鈦合金為例:采用高能機(jī)械球磨法經(jīng)過(guò)1h球磨后制備出T1-6A1-4V納米晶合金粉末，然后采用SPS燒結(jié)技術(shù)使粉末燒結(jié)致密制備T1-6A1-4V塊體材料。當(dāng)燒結(jié)溫度低于850°C，燒結(jié)壓力為50MPa時(shí)，燒結(jié)材料無(wú)法達(dá)到全致密(相對(duì)密度〈99% )。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到850°C時(shí)，燒結(jié)材料才能接近全致密(相對(duì)密度>99% )，表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和塑性，此時(shí)燒結(jié)材料的大部分基體為超細(xì)晶等軸(α+β)組織，平均晶粒尺寸為0.87μπι，但燒結(jié)材料的顯微組織中已經(jīng)出現(xiàn)了局部再結(jié)晶現(xiàn)象，再結(jié)晶形成的粗晶長(zhǎng)大到幾微米至幾十微米，體積分?jǐn)?shù)約占8%，因此通過(guò)現(xiàn)有高能機(jī)械球磨-放電等離子燒結(jié)方法無(wú)法獲得組織致密并且具有單一尺度超細(xì)晶組織的鈦合金材料(具體可見論文“Yan Long, Hongying Zhang, Tao Wang, XiaolongHuang, Yuanyuan Li，Jingshen Wuj Haibin Chen.High-strength T1-6A1_4V withultrafine-grained structure fabricated by high energy ball milling and sparkplasma sintering, Materials Science&Engineering A，2013，585:408-414.，，)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超細(xì)晶T1-6A1_4V合金的制備方法，該方法可獲得近全致密的塊體材料，并且其顯微組織中的晶粒尺寸均達(dá)到超細(xì)晶范疇，即在10nm?I μ m之間。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種超細(xì)晶T1-6A1_4V合金的制備方法，采用高能球磨和放電等離子燒結(jié)相結(jié)合的成形方法，具體包括以下步驟:
[0010](I)采用高能球磨裝置制備納米晶T1-6A1-4V合金粉末，所得到合金粉末的晶粒尺寸為10?10nm ；
[0011](2)采用放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)對(duì)得到的合金粉末進(jìn)行燒結(jié)，得到超細(xì)晶T1-6A1-4V 合金；
[0012]所得到的超細(xì)晶T1-6A1_4V合金中，顯微組織為等軸(α+β)組織，晶粒尺寸(即粉末或塊體內(nèi)部顯微組織的晶粒大小，也稱晶粒度)在10nm?I μπι之間，相對(duì)密度(即絕對(duì)密度與理論密度之比)為99%以上。
[0013]所述步驟(I)中，采用高能球磨裝置制備納米晶T1-6A1_4V合金粉末的具體方法為:
[0014]在惰性氣體的保護(hù)下，將晶粒尺寸大于I μ m的Ti_6Al_4V合金原料和磨球置于不銹鋼球磨罐中，進(jìn)行高能球磨，隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，粉末內(nèi)部的晶粒不斷細(xì)化。
[0015]作為一種優(yōu)選方案，所述惰性氣體采用純度為99.99%的高純度氬氣；T1-6Al-4V合金原料采用純度大于99.97%的球形T1-6A1-4V粉。高能球磨裝置為行星式高能球磨機(jī)；高能球磨裝置中，罐體和磨球的材質(zhì)均為不銹鋼，球料比為12:1，轉(zhuǎn)速為228r/min，球磨時(shí)間為1ho
[0016]所述步驟(2)中，采用放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)對(duì)合金粉末進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，具體的工藝條件如下:
[0017]燒結(jié)電流類型:直流脈沖電流；
[0018]燒結(jié)溫度:500°C?700 °C ；
[0019]保溫時(shí)間:5?15min ；
[0020]燒結(jié)壓力:10MPa以上；
[0021]升溫速率:30?150? /min。
[0022]作為一種優(yōu)選方案，所述燒結(jié)壓力為300MPa以上。
[0023]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果:
[0024]1、通過(guò)提高燒結(jié)壓力OlOOMPa)，能夠使粉末顆粒之間的接觸面積增大，促進(jìn)粉末顆粒之間的固相擴(kuò)散，從而提高燒結(jié)材料的致密度，使粉末在較低的燒結(jié)溫度下((700°C )達(dá)到或接近全致密，因此避免了現(xiàn)有技術(shù)中因?yàn)闊Y(jié)溫度過(guò)高導(dǎo)致納米晶粉末的晶粒劇烈長(zhǎng)大或出現(xiàn)局部再結(jié)晶的現(xiàn)象，從而獲得單一尺度的超細(xì)晶T1-6A1-4V合金材料。
[0025]2、通過(guò)降低燒結(jié)溫度，能夠減小超細(xì)晶T1-6A1_4V材料的平均晶粒尺寸，從而進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，促進(jìn)超細(xì)晶鈦合金的研宄和應(yīng)用。
[0026]3、發(fā)揮放電等離子燒結(jié)技術(shù)的放電效應(yīng)、燒結(jié)溫度低和燒結(jié)時(shí)間短等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以抑制球磨納米晶粉末在燒結(jié)過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大，獲得近全致密組織，達(dá)到近凈成型，節(jié)省能源，降低加工成本，提高材料利用率的目的。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0028]實(shí)施例1
[0029]本實(shí)施例一種超細(xì)晶T1-6A1_4V合金的制備方法，采用高能球磨和放電等離子燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的成形方法，它包括如下步驟及其工藝條件:
[0030]步驟一:高能球磨制備納米晶T1-6A1_4V合金粉末
[0031]采用市售的等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備的晶粒尺寸>1 μπκ純度>99.97%的球形T1-6A1-4V粉作為原料，在行星式高能球磨機(jī)的球磨罐中進(jìn)行球磨。球磨罐內(nèi)抽真空并充高純氬氣(99.99% )作為保護(hù)氣氛。罐體材料及磨球材質(zhì)