本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种多尺度结构钛合金材料的制备方法。
背景技术：
钛合金具有密度低、比强度与比模量高、耐腐蚀性好等优点，目前已被广泛应用于航天航空和汽车工业。然而随着航天航空和高性能汽车的高速发展，钛合金零件的服役条件越发苛刻：不仅对钛合金的强度要求不断提高，而且对其韧性(塑性)也提出了更高的要求，即在大幅度提高钛合金强度的同时，要求其必须保持足够的韧性(塑性)。通常，细化晶粒能显著提高金属材料的强度，具有纳米晶粒尺度的金属材料的强度可达几倍于传统的粗晶(晶粒尺度为几微米至几百微米)金属材料，但由于其较低的加工硬化能力导致其塑性远低于粗晶金属材料。
多尺度结构钛合金是指钛合金的晶粒由心部纳米尺度呈梯度变化到表面微米尺度即梯度晶粒结构，或者微米粗晶与纳米细晶交替叠层排列即微纳米叠层结构。剧烈的塑性变形可以细化晶粒，控制塑性变形条件可以将晶粒细化至亚微米级甚至纳米级。为了获得梯度结构金属材料，一般可采用梯度塑性变形，使形变量、形变速率等从心部到表面梯度变化，从而形成梯度结构。主要制备方法包括表面压入式梯度变形法和异步轧制法等。其中表面压入式梯度变形是利用硬质压头或者球丸循环重复多次压入材料表面，使得材料表面产生多次重复塑性变形，并且形变量和形变速率随着深度增加而呈梯度减小，因而形成表面梯度晶粒结构。但此方法的局限在于只在材料表面几十微米深处产生梯度结构，并且设备比较复杂，成本较高。异步轧制法是通过控制两个轧辊的滚速不同，产生不同的形变量和形变速率，并且同时交替往复输送板材，获得晶粒大小不均匀结构。但采用这种方法对轧机要求极高，并且最终轧制出的板材厚度仅有几百微米，不适合大规模生产。
技术实现要素：
为解决上述钛合金的强度–韧性(塑性)倒置问题，本发明提供了一种多尺度结构钛合金材料的制备方法，技术方案如下：
一种多尺度结构钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)钛板预处理；(2)叠层堆垛：将不同厚度的步骤(1)处理后的钛板按照一定顺序叠层堆垛；(3)真空热压烧结；(4)低温轧制。
利用真空热压烧结技术实现不同厚度钛板的层间初步结合，同时控制不同厚度钛板内部晶粒粗化程度(即钛板越厚，晶粒尺寸越大)；低温轧制：目的是实现不同厚度钛板层内晶粒细化，同时大幅提高不同厚度钛板的层间界面结合强度，最终制备出微纳米晶粒不均匀分布(梯度或层状分布)的钛合金即多尺度结构钛合金块体材料。
步骤(1)所述钛板为商业纯钛板，厚度为50μm-2mm。
步骤(1)具体为：将厚度为1-2mm的商业纯钛板先进行真空热处理，再对所有规格(厚度为50μm-2mm)钛板进行表面酸处理。
所述表面酸处理为：使用酸溶液浸渍钛板，然后用去离子水漂洗，烘干。
所述酸溶液为质量浓度10-20％的氢氟酸(hf)水溶液，浸渍时间为5-30s。
所述真空热处理，热处理温度为600-850℃，热处理时间为1-5h。热处理在真空炉制造的真空环境下进行。
酸处理的目的是去除氧化膜等杂质。去离子水漂洗可进行多次，洗净钛板表面的酸即可。
真空热处理实质为退火处理，该步骤使钛板晶粒粗化至50-200μm。
步骤(2)所述叠层堆垛，叠层堆垛顺序按照欲制备的钛合金材料结构进行设计，堆垛时钛板厚度越大的位置，制备的钛合金材料该位置对应的晶粒粒度越大(晶粒越粗)，同样的，堆垛时钛板厚度越小的位置，制备的钛合金材料该位置对应的晶粒粒度越小(晶粒越细)。主要包括两种叠层堆垛结构设计：(a)梯度结构：将厚度≥2mm的钛板放置于最中间，两边依次对称放置等厚度的1mm-50μm厚的钛板，且由中心到两侧钛板厚度依次减小，目的是获得心部粗晶粒、边缘细晶粒的梯度晶粒分布的钛合金材料；(b)层状结构：将厚度为0.5-2mm的厚钛板与厚度为50-100μm的薄钛板交替排列成三明治叠层结构，目的是获得粗晶粒与细晶粒交替排列的层状结构，两种叠层堆垛示意图如图2所示。
步骤(3)所述真空热压烧结，烧结温度为550-800℃，压强为20-100mpa，保温时间为0.5-5h。
热压烧结实现了不同厚度钛板的层间初步结合，即获得多层钛合金块体材料，同时调控不同厚度钛板层内晶粒尺寸(即原始钛板越厚，该层内晶粒越粗大)。
步骤(4)所述低温轧制，温度为300-700℃，轧制速度为0.15-0.3m/s，轧制总变形量为50-96％，首道次变形量20-65％，其余道次变形量为5-20％，共轧制3-10道次。
低温轧制步骤进一步提高不同厚度钛板的层间界面结合强度同时调控不同钛板层内晶粒尺寸。
有益效果
依据不同的叠层堆垛方式(见图2)结合热压烧结技术对钛合金进行结构设计，可以得到心部粗晶粒、边缘细晶粒的梯度晶粒结构，或者粗晶粒与细晶粒交替排列的层状结构，随后再利用低温轧制技术使材料产生剧烈的塑性变形，可以将不同厚度钛板内部晶粒细化至微米、亚微米级甚至纳米级，最终获得的钛合金内部的粗晶粒与细晶粒呈现梯度分布或者叠层分布。该方法制备出具有晶粒尺度不均匀的钛合金，可以同时发挥纳米细晶粒的高强度和微米粗晶粒的高塑性，进而解决钛合金的强度-韧(塑)性倒置问题。此外，叠层堆垛结合低温轧制技术具有设备简单、易于操作、成本低，可以制备工业级大尺寸板材等优点。
本发明通过调整钛合金的叠层设计方式、真空退火与热压烧结参数以及轧制工艺，可以制备出组织可调控、综合力学性能优良的多尺度钛合金材料。
利用本发明提供的方法制备得到的多尺度结构钛合金材料，其组织特征为内部晶粒大小为微纳米尺度，且微纳米晶粒呈现梯度或层状分布，其中粗晶层晶粒尺寸为500nm-2μm，细晶层晶粒尺寸为50-300nm；多尺度结构钛合金的力学特性为其具有高强度的同时，还保持良好的塑性和韧性。
附图说明
图1.多尺度结构钛合金的制备工艺流程图；
图2.叠层堆垛设计示意图：(a)梯度结构：中间为最厚钛板(粗晶)，两侧依次对称放置等厚钛板，由中间至两侧钛板厚度依次减小(晶粒尺度逐步减小)；(b)层状结构：厚钛板(粗晶)与薄钛板(细晶)交替排列；
图3.多尺度结构钛合金ebsd照片：(a)(c)边缘区域为细晶；(b)心部区域为粗晶。
具体实施方式
实施例1
(1)钛板预处理：原材料钛板的厚度分别为50μm、300μm、1mm、2mm。首先将厚度为1mm和2mm钛板置于真空热处理炉中进行退火处理，使其内部晶粒粗化至50-200μm，真空退火工艺为：温度为750℃，保温时间为2h，随炉冷却，即获得退火态1mm钛板和退火态2mm钛板。随后利用质量分数为15％的hf溶液对所有规格钛板(50μm、300μm、退火态1mm和退火态2mm)进行表面预处理以去除氧化膜等(浸泡10s)，随后去离子水漂洗、烘干待用；
(2)叠层堆垛：主要有两种结构设计：(a)将1层退火态2mm厚钛板置于最中间，而两侧依次对称放置1层退火态1mm厚钛板、3层300μm厚钛板、20层5μm厚钛板，构建心部粗晶粒，边缘细晶粒的晶粒梯度分布结构；(b)将1层退火态1mm厚钛板和20层50μm厚钛板交替堆垛成三明治叠层结构，进而构建粗晶粒与细晶粒交替排列的层状结构，示意图如图2所示。本步骤使用的所有钛板均为经步骤(1)表面处理过后的钛板。
(3)真空热压烧结：将不同堆垛方式的材料进行真空热压烧结，初步实现不同厚度钛板的层间结合，获得多层钛合金块体材料，烧结温度为700℃，压强为50mpa，保温时间为2h。
(4)低温轧制工艺：轧制温度为500℃，轧制速度为0.15m/s，首道次变形量60％，其余每道次变形量为7％，轧制总变形量为95％，共轧制6道次。最终制备出多尺度结构钛合金。
表1多尺度结构钛合金与原始粗晶钛板的拉伸性能对比
其中叠层堆垛结构设计(a)的多尺度结构钛合金的ebsd如图3所示，图3(a)和(c)为样品外表面的微观组织，其晶粒大小约为300nm；图3(b)显示的是样品心部区域的微观组织，其晶粒大小约为500nm，由此可见，由心部至表面的晶粒大小呈现出由粗晶过渡到细晶的梯度变化。其拉伸性能如表1所示，与原始粗晶板材相比，其抗拉强度达到786mpa，屈服强度提高至712mpa，分别提高了120％和163％，而断后伸长率仍高达22％，由此可见，此多尺度结构钛合金在强度大幅提高的同时，保持了足够的塑性。
而叠层堆垛结构设计(b)的多尺度结构钛合金，通过表征得知其微观组织结构为粗晶粒与细晶粒交替排列的层状结构，与原始粗晶板材相比，其抗拉强度和屈服强度别提高了109％和125％，断后伸长率高达18％。
实施例2
与实施例1的区别在于：
步骤(1)所述酸溶液为质量浓度20％的hf水溶液，浸泡时间为5s。步骤(1)所述真空热处理，热处理温度为750℃，热处理时间为3h。步骤(3)所述真空热压烧结，烧结温度为750℃，压强为40mpa，保温时间为1h。步骤(4)所述低温轧制，温度为520℃，轧制速度为0.15m/s，轧制总变形量为90％，首道次变形量50％，其余道次变形量为10％，共轧制5道次。
通过表征得知，其中叠层堆垛结构设计(a)的多尺度结构钛合金微观组织由心部至表面的晶粒大小呈现出由粗晶过渡到细晶的梯度变化。与原始粗晶板材相比，其抗拉强度和屈服强度别提高了101％和123％，断后伸长率高达21％，此多尺度结构钛合金在强度大幅提高的同时，保持了足够的塑性。
而叠层堆垛结构设计(b)的多尺度结构钛合金，通过表征得知其微观组织结构为粗晶粒与细晶粒交替排列的层状结构，与原始粗晶板材相比，其抗拉强度和屈服强度别提高了109％和125％，断后伸长率高达17％。
实施例3
与实施例1的区别在于：
步骤(1)所述酸溶液为质量浓度10％的hf水溶液，浸泡时间为15s。步骤(1)所述真空热处理，热处理温度为800℃，热处理时间为1h。步骤(3)所述真空热压烧结，烧结温度为800℃，压强为30mpa，保温时间为1h。步骤(4)所述低温轧制，温度为550℃，轧制速度为0.20m/s，轧制总变形量为95％，首道次变形量65％，其余道次变形量为10％，共轧制4道次。
通过表征得知，其中叠层堆垛结构设计(a)的多尺度结构钛合金微观组织由心部至表面的晶粒大小呈现出由粗晶过渡到细晶的梯度变化。与原始粗晶板材相比，其抗拉强度和屈服强度别提高了109％和133％，断后伸长率高达23％，此多尺度结构钛合金在强度大幅提高的同时，保持了足够的塑性。
而叠层堆垛结构设计(b)的多尺度结构钛合金，通过表征得知其微观组织结构为粗晶粒与细晶粒交替排列的层状结构，与原始粗晶板材相比，其抗拉强度和屈服强度别提高了101％和121％，断后伸长率高达18％。
1.一种多尺度结构钛合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)钛板预处理；(2)叠层堆垛：将不同厚度的步骤(1)处理后的钛板按照一定顺序叠层堆垛；(3)真空热压烧结；(4)低温轧制。
2.根据权利要求1所述的多尺度结构钛合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述低温轧制，温度为300-700℃。
3.根据权利要求2所述的多尺度结构钛合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述低温轧制，轧制速度为0.15-0.3m/s。
4.根据权利要求3所述的多尺度结构钛合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述低温轧制，轧制总变形量为50-96％，首道次变形量20-65％，其余道次变形量为5-20％，共轧制3-10道次。
5.根据权利要求1所述的多尺度结构钛合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)具体为：首先对厚度为1-2mm钛板进行真空热处理，再对所有规格钛板进行表面酸处理；步骤(1)所述钛板为纯钛板。
6.根据权利要求5所述的多尺度结构钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述表面酸处理为：使用酸溶液浸渍钛板，然后用去离子水漂洗，烘干。
7.根据权利要求6所述的多尺度结构钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述酸溶液为质量浓度10-20％的hf水溶液，浸渍时间为5-30s。
8.根据权利要求5所述的多尺度结构钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述真空热处理，热处理温度为600-850℃，热处理时间为1-5h；热处理在真空炉制造的真空环境下进行。
9.根据权利要求1所述的多尺度结构钛合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述真空热压烧结，烧结温度为550-800℃，压强为20-100mpa，保温时间为0.5-5h；在真空环境下进行。
技术总结