纯钛两步塑性变形加工方法技术

一种金属材料塑性变形技术领域的纯钛两步塑性变形加工方法，采用３级工业纯钛块材作为原料，涂敷石墨润滑剂后３００ＫＮ液压万能试验机上挤压，再在液氮温度下采用轧制处理对亚微米晶工业纯钛块材进行变形处理，制得超细晶纯钛。本发明专利技术加工所得的超细晶纯钛抗拉强度达１２１８ＭＰａ，延伸率为１２．６％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种金属材料塑性变形
的加工方法，具体是一种纯 钛两步塑性变形加工方法。
技术介绍
近年来，生物医用材料的研制越来越受到世界各国的重视。在生物医用材料 中，金属材料应用最早，主要用来修复骨骼、关节、牙齿、以及血管等。目前用 于生物医用材料主要是不锈钢、钛及钛合金。钛具有一定的强度和较高的塑性， 高纯钛的ab=300 MPa， 3=40%，密度小(4.51g/cm3)，熔点为(1663士10)。C，具 有优良的耐蚀性和耐热性。同时，钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁 化，钛及其合金还具有与骨极其相似的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环 境下优良的抗腐蚀性，因此在临床上得到了越来越广泛的应用。与钛合金相比，纯钛材最大优点是无毒性元素，纯Ti材作为新型无毒骨植 入材料，其潜在的应用前景将超过目前实际使用的Ti一6Al—4V和不锈钢，在欧 美曰俄等国已引起高度重视。然而，纯Ti缺乏足够的强度和硬度，严重限制了 其在生物体内承载部位的应用。实践证明细小等轴的晶粒可改善金属的塑性变形能力，提高材料的强度及 综合的力学性能。而且，当材料晶粒细化至纳米晶尺度时，不仅其综合机械性能 得到改善，而且其物理化学特性也将发生重大变化。常用的细化晶粒工艺分为四 种液态时加入各种晶粒细化剂或借助外部能量使枝晶破碎，从而细化铸造组织； 半固态成形细化晶粒;铸造粉末冶金成形；强烈塑性变形，诸如冷轧(Cold Rolling, CR)法、高压扭变(High Pressure Torsion, HPT)法、等径弯角挤压(Equal Channel Angular Extrusion, ECAE)法等。前三种方法均为铸造成型，晶粒细化效果不明 显。CR法可制备具有较高强度的细晶材料，但由于微观组织结构主要由具有小 角度晶界的亚结构组成，所以其延伸率较低。HPT法只能制备出非常薄的圆片 状材料，而ECAE法则能制备出大块体且具有较高综合力学性能的细晶材料。近 年来，将ECAE和CR两种工艺相结合制备超高强度纯金属及合金越来越受到人们的关注。经对现有技术的文献检索发现S丄.Semiatin和D.RDdo等曾在《材料与设 计》上发表了一篇关于《难变形合金的ECAE过程》的论文(Equal channel angular extrusion of difficult-to-work alloys ， Materials and Design 21 (2000) 311 -322)，该 文对纯Ti、 Ti-6A1-4V和4340钢等难变形的金属进行了 ECAE过程，该文献的 作者采用通道转角为90。的模具，选择25。C 325。C的温度区间和0.002/S 2/S 的应变速率对纯钛进行了 ECAE过程，结果由于纯钛对ECAE过程中的剪切局 部化非常敏感，在室温(25°C)的时候，选用0.002/S 2/S之间的任意一种应变 速率都使得纯钛在ECAE过程后成为碎片；而在其它的温度(125°C 325°C)尝 试对纯钛进行ECAE过程时，由于挤压温度、应变速率、润滑条件不适当等因素 的影响，经ECAE后纯钛也会出现不同程度的断裂，因而不能够得到大块体细晶 材料。V.V.Stolyarov等曾在《材料科学与工程A》上发表了一篇关于《ECAE挤压 路径对纯钛微观组织及性能的影响》的论文(Influence of ECAP routes on the microstructure and properties of pure Ti， Materials Science and Engineering A 299 (2001) 59-67)。研究发现经8道次ECAE处理后，1级工业纯Ti的抗拉强度 从粗晶的380 MPa提高到710 MPa，延伸率为14% ，但是仍低于Ti-6A1-4V的抗 拉强度极限(1000MPa 1182MPa)。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种纯钛两步塑性变形加工方 法，提高金属纯钛在室温下的强度及其综合的力学性能，降低加工成本，提高其 成材率。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括以下步骤(1) 采用3级工业纯钛块材作为原料，将工业纯钛块材在75(TC退火，保 温1小时；(2) 将退火后3级工业纯钛块材切割成坯料，对坯料进行表面处理； 所述的表面处理是指通过机械抛光对坯料表面进行处理以达到4级以上的表面精度，坯料表面加工粗糙度不低于Ra=1.25 pm。(3) 用丙酮对毛坯表面进行表面清洗和预热处理，然后采用浸涂方法在毛 坯表面涂敷石墨润滑剂，涂敷后将毛坯烘干；所述的预热处理是指在25(TC 300'C的温度下预热10 15分钟；所述的石墨润滑剂的厚度为0.2 0.4mm;所述的烘干是指在25(TC 30(TC的温度下烘干10 15分钟。(4) 用丙酮对等径弯角挤压模具进行表面和型腔清洗和二次预热并涂敷石 墨润滑剂，涂敷后将等径弯角挤压模具烘干；所述的等径弯角挤压模具的通道角度为90°;所述的二次预热是指在25(TC 30(TC的温度下预热20 30分钟； 所述的烘干是指在250'C 30(TC的温度下烘干10 15分钟。(5) 将涂敷石墨润滑剂的坯料放入涂敷石墨润滑剂的等径弯角挤压模具的 挤压通道内，然后进行保温处理。所述的保温处理是指在350。C 40(TC的加热炉中共同加热，保温时间15 20分钟；(6) 将加热好的坯料和等径弯角挤压模具同时取出加热炉，然后在300KN 液压万能试验机上对坯料进行挤压，并重复步骤(2)到步骤(6)共2 8次， 即可获得亚微米晶工业纯钛块材；所述的亚微米晶工业纯钛块材的微观晶粒平均尺寸为0.2 0.6 )Lun。(7) 在室温或液氮温度下采用轧制处理对亚微米晶工业纯钛块材进行变形 处理，制得超细晶纯钛。所述的变形处理是指采用轧辊直径为130 mm，最大压力为15吨，转速 33转/分，累积轧制变形量为74% 89%。在液氮温度环境时，采用不锈钢片包裹亚微米晶工业纯钛块材后再进行变形 处理。所述的超细晶纯钛的微观组织主要由尺寸介于0.1 pm 0.15 pm的位错胞状 结构构成。本专利技术采用ECAE合并CR两步塑性变形处理3级工业纯钛，其特点是可以 有效细化微观组织，成材率高，并可实现大工件加工。ECAE处理前对模具型腔 及待挤压的坯料进行润滑处理，既可以有效的阻止高温坯料的急剧温降，同时可 显著降低坯料和模具工作表面间的滑动摩擦阻力，从而有效地提高纯钛金属材料 的流动均匀性，保证挤压过程的顺利进行；润滑处理工艺方法简单，成本低，经 过实际操作后，坯料和模具自行脱落，没有相互粘结在一起，工艺性好。坯料端部弧度及坯料表面光洁度的确定，有利于坯料在挤压过程中减少摩擦，提高坯料 的塑性流动的均匀性。坯料、模具加热时间和保温时间的确定以及将加热好的坯 料和模具同时从加热炉中取出进行等径弯角挤压，可防止晶粒长大，有利于形成细小的亚微米晶，最终获得强度、塑性等性能良好的3级工业纯钛块材。液氮温 度轧制处理时采用不锈钢包覆样品，可以有效防止样品与周围环境的热交换，保 证在较低温度进行轧制过程。本专利技术可以显著提高3级工业纯钛在室温下的强度 及其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纯钛两步塑性变形加工方法，其特征在于，包括以下步骤：　（１）采用３级工业纯钛块材作为原料，将工业纯钛块材在７５０℃退火，保温１小时；　（２）将退火后３级工业纯钛块材切割成坯料，通过机械抛光对坯料进行表面处理；　（３）用丙酮对毛坯表面进行表面清洗和预热处理，然后采用浸涂方法在毛坯表面涂敷石墨润滑剂，涂敷后将毛坯烘干；　（４）用丙酮对等径弯角挤压模具进行表面和型腔清洗和二次预热并涂敷石墨润滑剂，涂敷后将等径弯角挤压模具烘干；　（５）将涂敷石墨润滑剂的坯料放入涂敷石墨润滑剂的等径弯角挤压模具的挤压通道内，然后进行保温处理；　（６）将加热好的坯料和等径弯角挤压模具同时取出加热炉，然后在３００ＫＮ液压万能试验机上对坯料进行挤压，并重复步骤（２）到步骤（６）共２～８次，即可获得亚微米晶工业纯钛块材；　（７）在室温或液氮温度下采用轧制处理对亚微米晶工业纯钛块材进行变形处理，制得超细晶纯钛。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢超英，范志国，江鸿，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]