納米結(jié)構(gòu)的鈦合金以及用于熱機(jī)械加工它們的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種納米結(jié)構(gòu)的材料，并且更具體地說，具有增強(qiáng)的材料特性的納米 結(jié)構(gòu)的鈦合金，該鈦合金具有發(fā)展的Ct鈦結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知的是微結(jié)構(gòu)在機(jī)械特性的建立中起一種關(guān)鍵的作用。取決于加工方法，可以 發(fā)展材料的結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)材料特性。例如，有可能使用機(jī)械的、或熱機(jī)械加工技術(shù)來改變材料 的晶?；蚓w結(jié)構(gòu)。
[0003] 美國專利申請2011/0179848披露了一種用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的具有增強(qiáng)特性的工 業(yè)純鈦產(chǎn)品。該鈦產(chǎn)品具有納米晶體結(jié)構(gòu)，該納米晶體結(jié)構(gòu)相對于原始機(jī)械特性提供了 增強(qiáng)的特性，包括機(jī)械強(qiáng)度、抗疲勞破裂性、以及生物醫(yī)學(xué)特性。披露的是，使用一種等通 道角壓制（ECAP)技術(shù)在不大于450°C的溫度下使該已知的鈦產(chǎn)品首先經(jīng)受劇烈塑性形變 (SH))，其中總真實(shí)累積應(yīng)變e 3 4,并且然后隨后使用熱機(jī)械處理發(fā)展，其中應(yīng)變程度從 40%至80%。具體地，該熱機(jī)械處理包括用逐漸減小的在T = 450°C ... 350°C范圍內(nèi)的溫 度以及10 2. .. 104S1的應(yīng)變速率所進(jìn)行的塑性形變。
[0004] 雖然這種已知的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用于工業(yè)純鈦的較高水平的機(jī)械特性，但是存在著一 種需要來增加用于不同工程應(yīng)用的鈦合金中的拉伸和/或剪切強(qiáng)度、以及疲勞特性的水 平，這些工程應(yīng)用包括但不限于生物醫(yī)學(xué)、能量、高性能運(yùn)動商品、以及航天應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于這些缺點(diǎn)，本發(fā)明的一個目的尤其除其他之外是增加鈦合金的強(qiáng)度和抗疲勞 性的水平。
[0006] 其結(jié)果是，提供了一種納米結(jié)構(gòu)的鈦合金物品。該納米結(jié)構(gòu)的合金包括一種具有 至少80%的< I. 0微米尺寸的晶粒的發(fā)展的鈦結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0007] 將參考附圖來描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中：
[0008] 圖1是使用電子背散射衍射獲取的已知工業(yè)純鈦合金的一個顯微照片；
[0009] 圖2是使用電子背散射衍射獲取的根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)的工業(yè)純鈦合金的一 個顯微照片；
[0010] 圖3是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了已知工業(yè)純鈦合金的粒 度分布；
[0011] 圖4是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu) 的工業(yè)純鈦合金的粒度分布；
[0012] 圖5是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了已知工業(yè)純鈦合金的錯 取向角分布；
[0013] 圖6是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu) 的工業(yè)純鈦合金的錯取向角分布；
[0014] 圖7是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu) 的工業(yè)純鈦合金的縱向平面上的晶粒形狀縱橫比分布；
[0015] 圖8是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu) 的工業(yè)純鈦合金的橫向平面上的晶粒形狀縱橫比分布；
[0016] 圖9是使用透射電子顯微鏡獲得的根據(jù)本發(fā)明的具有多個等軸晶粒的工業(yè)純納 米結(jié)構(gòu)的鈦合金的一個顯微照片；
[0017] 圖10是使用透射電子顯微鏡獲得的根據(jù)本發(fā)明的具有多個具有高位錯密度的晶 粒的工業(yè)純納米結(jié)構(gòu)的鈦合金的一個顯微照片；
[0018] 圖11是使用透射電子顯微鏡獲得的根據(jù)本發(fā)明的示出多個亞晶粒的工業(yè)純納米 結(jié)構(gòu)的鈦合金的一個顯微照片；
[0019] 圖12是使用電子背散射衍射獲取的已知鈦合金Ti6A14V的一個顯微照片；
[0020] 圖13是使用電子背散射衍射獲取的根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)的鈦合金Ti6A14V的 一個顯微照片；
[0021] 圖14是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié) 構(gòu)的鈦合金Ti6A14V的粒度分布；
[0022] 圖15是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了已知鈦合金Ti6A14V的 錯取向角分布；
[0023] 圖16是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié) 構(gòu)的鈦合金Ti6A14V的錯取向角分布；
[0024] 圖17是使用電子背散射衍射獲取的已知鈦合金Ti6A14V ELI的一個顯微照片；
[0025] 圖18是使用電子背散射衍射獲取的根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)的鈦合金Ti6A14V ELI的一個顯微照片；并且
[0026] 圖19是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié) 構(gòu)的鈦合金Ti6A14V ELI的粒度分布；
[0027] 圖20是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了已知鈦合金Ti6A14V ELI的錯取向角分布。
[0028] 圖21是一個使用電子背散射衍射獲得的圖形表示，示出了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié) 構(gòu)的鈦合金Ti6A14V ELI的錯取向角分布。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 本發(fā)明是一種納米結(jié)構(gòu)的鈦合金，該鈦合金可以用于不同的行業(yè)中用于生產(chǎn)各種 有用的物品，如骨科植入體、醫(yī)用和航天緊固件、航天航空結(jié)構(gòu)組件、以及高性能運(yùn)動商品。 在本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例中，提出了一種工業(yè)純鈦的組合物以發(fā)展該結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)具有 至少80%的是<1微米的晶粒的納米結(jié)構(gòu)，該組合物具有一種a鈦基體，該a鈦基體可以 包含保留的P鈦顆粒。其結(jié)果是，該納米結(jié)構(gòu)的鈦合金展示出不同的材料特性變化，如在 拉伸強(qiáng)度和/或剪切強(qiáng)度和/或疲勞持久極限上的增加。具體地，該納米結(jié)構(gòu)的鈦合金結(jié) 構(gòu)使用根據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)械加工步驟的一種組合來發(fā)展。這種方法提供了一種具有超細(xì)晶 粒和/或納米晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的發(fā)展的微結(jié)構(gòu)。
[0030] 圖1、12、和17對應(yīng)地示出了起始工業(yè)純鈦合金、Ti6A14V、以及Ti6A14VELI的微 結(jié)構(gòu)。圖2、13、和18對應(yīng)地示出了根據(jù)本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)的工業(yè)純鈦合金、Ti6A14V、以及 Ti6A14V ELI的所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。這些圖形的檢查清楚地示出了在起始與納米結(jié)構(gòu)的鈦合金 之間的差異。
[0031] 該工件可以由各種本領(lǐng)域中已知的可商購的鈦合金組成，如工業(yè)純鈦合金 (Grades1-4)、Ti-6A1-4V、Ti-6A1-4VELL、Ti-6Al-7Nb、Ti-Zr、或其他已知的a、近似a 以及a相鈦合金。
[0032] 因此，在本發(fā)明的其他示例性實(shí)施例中，一種a相鈦合金是由劇烈塑性形變 加工類型和非劇烈塑性形變類型的熱機(jī)械加工步驟的組合加工的以發(fā)展具有至少80%的 是<1微米的晶粒的納米結(jié)構(gòu)。
[0033] 在本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例中，一種粗大晶粒工業(yè)純鈦合金被用于該工件，該 合金具有按重量百分?jǐn)?shù)計的以下組成：氮（N)，最高0. 07% ;碳（C)，最高0. 1 % ;氫（H)，最 高0. 015% ;鐵（Fe)，最高0. 50% ;氧（0)，最高0. 40% ;其他痕量的雜質(zhì)總計是最高0. 4%， 并且鈦（Ti)作為余量。
[0034] 可以使用其他鈦合金，包括但不限于，其他工業(yè)純鈦合金、Ti-6A1-4V、Ti-6A1-4V ELI、Ti-6Al-7Nb、以及Ti-Zr?？梢栽诒?-3中發(fā)現(xiàn)這些鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)組成，其鑒定按 最高wt%計的的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)組成（ASTM B348-11，用于鈦和鈦合金的條和坯料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范； ASTM F1295-11，用于鍛造的鈦-6鋁-7鈮合金（用于外科植入體應(yīng)用）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；ASTM F136-12a，用于鍛造的鈦-6鋁-4釩ELI(極低的間隙）合金（用于外科植入體應(yīng)用）的標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)范；以及鈦合金Ti-Zr美國專利號8, 168, 012)。

[0038] 使該工件（例如棒或條）經(jīng)受劇烈塑性形變（"SPD"）和熱機(jī)械加工。這些結(jié)合的 加工步驟誘導(dǎo)大量的剪切形變，該剪切形變通過生成大量的大角晶界（錯取向角多15° ) 和高位錯密度顯著地精煉最初的結(jié)構(gòu)。
[0039] 具體地，在該示例性實(shí)施例中，使用一個等通道角壓制一致（equal channel angular pressing-conform) (ECAP-C)機(jī)器加工該工件，該機(jī)器由一個具有圓周槽的旋轉(zhuǎn) 輪和兩個形成通道的固定?？诮M成，這些?？谝运薅ǖ慕嵌认嘟?。然而，在其他實(shí)施例中 還可能的是使用其他已知的工藝類型使該工件經(jīng)受劇烈塑性形變，包括等通道角壓制、等 通道角擠壓、增量等通道角壓制、具有平行通道的等通道角壓制、具有多通道的等通道角壓 制、流體靜力等通道角壓制、循環(huán)擠出和壓縮、雙輥等通道角擠出、流體靜力擠出加等通道 角壓制、等通道角壓制加流體靜力擠出、連續(xù)高壓扭轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)等通道角壓制、等通道角輥壓 或等通道角拉延。
[0040] 首先，使用該ECAP-C機(jī)器，將該工件壓制入該輪槽中并且通過在該工件與該輪之 間產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動通過該通道。在低于500°C、優(yōu)選地100°C _300°C的溫度下，使工業(yè)純 鈦合金工件穿過該ECAP-C機(jī)器加工。在低于650°C、優(yōu)選地400°C -600°C的溫度下，使其 他鈦合金：Ti6A14V、Ti6A14V ELI、以及Ti6A17Nb穿過該ECAP-C機(jī)器加工。使該工件穿過 該ECAP-C機(jī)器在1次與12次之間，優(yōu)選4次至8次。在W = 75°與W = 135°、90°至 120°、以及100°至110°之間的通道交叉角下設(shè)置該模具。為了使可比較的結(jié)構(gòu)演化成 為可能，較低的通道交叉角將要求較少的通過和/或較高的溫度，并且較高的通道交叉角 將要求更多的通過和/或較低的溫度。在每一次穿過該ECAP-C機(jī)器之間將該工件圍繞其 縱軸旋轉(zhuǎn)90°的角度，這提供了在所發(fā)展的結(jié)構(gòu)中的均勻性。這種旋轉(zhuǎn)的方法被稱為ECAP 路徑B。。然而，在其他實(shí)施例中，可以改變該ECAP路徑，包括但不限于已知的路徑A、C、B a、 E、或者它們的一些組合。
[0041] 在使用來自該ECAP-C加工步驟的劇烈塑性形變加工該工件之后，然后使用非SPD 類型金屬成形技術(shù)使該工件經(jīng)受附加的熱機(jī)械加工。具體地，該熱機(jī)械加工進(jìn)一步使該工 件的結(jié)構(gòu)