表面纳米化对工业纯钛拉伸性能的影响

通过SMAT技术实现了工业纯钛表面纳米化,并利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)分析技术对表面纳米结构层进行了表征,对比研究了工业纯钛和经SMAT处理表面纳米化工业纯钛的拉伸性能,讨论了表面纳米化对工业纯钛拉伸性能的影响。结果表明:经SMAT处理后,由于表面纳米晶的形成和变形层中高密度的孪晶与位错共同的作用,工业纯钛的屈服强度、抗拉强度提高而伸长率降低。试样经SMAT处理后,沿处理面到中心晶粒尺寸不同,使得SMAT试样拉伸断裂后处理面与中心的断裂类型不同,表面纳米晶层和亚晶层的断裂主要是滑移分离断裂,而基体粗晶部分断裂为微孔聚集型断裂。     

工业纯钛牌号的对照和选材

工业纯钛是指含有少量氧、氮、碳及铁和其他残余杂质的致密金属钛.根据其杂质元素含量的不同,特别是对改变钛的特性影响较大的氧、氮、铁元素的不同而分为不同的级别.本文力图通过对我国工业纯钛的生产和标准发展的介绍.明确工业纯钛牌号的国内外对照,从而指导工业纯钛的应用和选材.     

复合细化超细晶工业纯钛高周疲劳性能研究

室温下,超细晶工业纯钛光滑试样在加载频率f=25 Hz、应力比R=-1的条件下进行高周应力疲劳测试,拟合超细晶工业纯钛应力幅σ_a与疲劳断裂循环周次N_f之间的关系曲线,并对疲劳断口形貌进行观察分析。结果表明：200 ℃退火60 min超细晶工业纯钛的疲劳极限值σ_-1为376.5 MP,比未退火超细晶工业纯钛的疲劳极限值提高56.5 MPa。疲劳裂纹源萌生于超细晶工业纯钛的表面, 200 ℃退火60 min超细晶工业纯钛的疲劳辉纹间距较小,疲劳裂纹不易扩展,室温疲劳性能优良。     

退火温度对超细晶工业纯钛组织和力学性能的影响

采用等通道转角挤压对工业纯钛进行加工,获得了超细晶工业纯钛,并对超细晶工业纯钛在不同温度下进行短时退火,研究了退火温度对超细晶工业纯钛组织和力学性能的影响,研究表明,超细晶工业纯钛经300～400℃低温短时退火后,晶粒尺寸没有明显增大,基面织构增强,强度得到提升,产生退火强化现象,且保持良好塑性。随着退火温度提高,超细晶工业纯钛晶粒发生明显长大,强度逐渐下降。     

复合加工制备的超细晶工业纯钛室温蠕变行为研究

采用工业纯钛TA1经等径弯曲通道变形(Equal channel angular pressing,ECAP)+冷轧(Cold Rolling,CR)+旋锻(Swaging)的方法制得晶粒尺寸约为120nm的超细晶工业纯钛,通过单轴拉伸蠕变实验、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等方法,研究室温下超细晶工业纯钛蠕变变形行为及机理。结果表明:在实验应力范围内,超细晶工业纯钛存在明显的室温蠕变现象;随加载应力的升高(640～760 MPa),蠕变量增加,稳态蠕变速率增大(2.8×10~(-7)～1.5×10~(-4)s~(-1));在相同蠕变应力水平(0.8σ_s)下,超细晶工业纯钛稳态蠕变速率(2.8×10~(-7)s~(-1))低于粗晶工业纯钛(8.6×10~(-6)s~(-1)),抗蠕变性能优于粗晶工业纯钛;位错滑移机理是其主要蠕变变形机理,蠕变断裂机制为韧性断裂。     

表面强化对工业纯钛显微组织的影响

工业纯钛经喷丸,滚压强化后,疲劳强度得到不同程度的提高,逐层TEM亚结构对比分析结果表明,工业纯钛疲劳强度的提高和强化层组织中孪晶的形成有关,工业纯钛疲劳前后组织中主要是位错数量的变化,而强化试样疲劳前后组织的结构既有位错,孪晶数量的变化,又有孪晶－晶界,孪晶－孪晶之间的交互作用,喷丸较滚压强化效果显著的部分原因是表层形成了准孪晶栅栏。     

超细晶工业纯钛的变形、应变速率敏感性和激活体积

在温度为250~450 ℃、应变速率为1×10-4-1 s-1的条件下,对超细晶工业纯钛进行变速率压缩实验,计算超细晶工业纯钛的应变速率敏感性因子和激活体积,并研究超细晶工业纯钛的变形行为。研究结果表明：超细晶工业纯钛在稳态变形阶段存在流变软化效应,这是受变形过程中大角度晶界和位错活动所控制的。超细晶工业纯钛的应变速率敏感性因子和激活体积在数值上都相对较低,应变速率敏感性随着变形温度的升高而增加,但激活体积独立于变形温度。应变速率敏感性和激活体积的数值表明晶粒内部位错之间的交互作用几乎不发生,而位错与晶界之间的交互作用显著影响超细晶工业纯钛的塑性变形。     

等通道转角挤压法制备超细晶纯钛的研究进展

近年来,围绕超细晶纯钛的制备及其性能提升方面开展了许多研究。本文综述了制备超细晶纯钛块材的等通道转角挤压工艺及其重要参数,分析了挤压过程中纯钛的位错滑移及孪晶变形机制。超细晶纯钛的强度、塑性、抗疲劳性能显著提高,而耐蚀性测试结果呈多样性,有待进一步研究。等通道转角挤压和后续热机械处理的结合,可进一步提高超细晶纯钛的综合性能,表明采用ECAP技术制备的超细晶纯钛在各行各业有着广阔的发展前景。     

利用粉末冶金法生产高强度钛

日本大阪大学的接合科学研究所与美国睦军研究所共同研制成功兼有高强度与良好延展性的高强度钛。他们运用了粉末冶金法,将固溶了氧的纯钛制成金属粉末,随后烧结成形。所制得粉末冶金钛材,其强度和延伸率都高于传统熔炼钛材,由于生产过程中不进行熔炼。故生产成本低。这种高强度钛适用于医疗器械和化工设备等方面。     

钛板的氧气切割

对厚度为30、40、70、85mm的工业纯钛进行了系统的氧气切割试验。由于钛的燃烧特性使钛材氧气切割与钢材有很大差别。钛材的切割质量和切割速度,主要决定于较低的切割氧压力。试验得出了合理的切割参数。     

复合细化超细晶工业纯钛高周疲劳性能

室温下,超细晶工业纯钛(UFG CP Ti)光滑试样在加载频率f=25 Hz、应力比R=–1的条件下进行高周应力疲劳测试,拟合超细晶工业纯钛应力幅σ_a与疲劳断裂循环周次Nf之间的关系曲线,并对疲劳断口形貌进行观察分析。结果表明:200℃退火60 min超细晶工业纯钛的疲劳极限值σ-1为376.5 MPa,比未退火超细晶工业纯钛的疲劳极限值提高56.5 MPa。疲劳裂纹源萌生于超细晶工业纯钛的表面,200℃退火60 min超细晶工业纯钛的疲劳辉纹间距较小,疲劳裂纹不易扩展,室温疲劳性能优良。     

慢速搅拌摩擦加工对工业纯钛摩擦磨损性能的影响

目的利用慢速搅拌摩擦加工,获得工业纯钛细晶组织,提高其耐磨性能。方法采用慢速搅拌摩擦加工对TA2工业纯钛退火板材进行表面处理,获得细晶结构。使用EBSD技术和显微硬度检测仪对表面微观结构及力学性能进行表征。采用球盘式摩擦磨损试验仪对搅拌摩擦加工前后的样品进行摩擦磨损性能测试,计算磨损率,并使用SEM及EDS分析磨痕特征。结果搅拌摩擦加工处理后,工业纯钛晶粒尺寸显著细化,小角度晶界比例较高,加工硬化程度高。搅拌摩擦加工样品氧化磨损较为严重,粘着磨损程度减小。搅拌摩擦加工后,样品主要磨损方式由粘着磨损和二体磨损转变为氧化磨损和三体磨损。经过180 r/min、25 mm/min处理的工业纯钛磨损率仅为未加工样品的1/4左右。结论慢速搅拌摩擦加工可同时提高工业纯钛表面硬度及耐磨损性能,较小的晶粒尺寸及合适的加工硬化程度可减轻粘着磨损和磨粒磨损。     

超细晶纯钛微弧氧化表面润湿性和耐腐蚀性能研究

以纯钛为原料,经等通道转角大应变加工处理得到超细晶纯钛,采用微弧氧化法对纯钛和超细晶纯钛表面进行了改性处理,研究了改性处理对样品的表面形貌、润湿性和耐腐蚀性等的影响。实验发现微弧氧化处理后,虽纯钛及超细晶纯钛表面均形成多孔氧化膜层、接触角减小、表面粗糙度和表面能提高,但与纯钛相比,超细晶纯钛腐蚀速率与电流密度较纯钛的更小。因此,经微弧氧化法改性后,超细晶纯钛比纯钛更适合应用于医用植入物领域。     

工业纯钛机械孪晶演化及其对纯钛低温力学性能的影响

对工业纯钛(TA2)在液氮介质中机械孪晶随应变量的变化规律以及孪晶对晶粒尺寸的依赖性进行了研究。结果表明:在静拉伸过程中孪晶分数随应变量的增加而增加,孪晶的形成主要在均匀塑性变形阶段,尤其在塑性变形的初期,颈缩后孪晶分数增加缓慢。孪晶形貌的演化规律为:在变形的初始阶段生成孪晶的尺寸比较大,在随后的塑性变形中又发生破碎,最终形成一些孪晶密集的区域。低温下纯钛的塑性变形方式为孪生和滑移共同作用。粗晶粒(55μm)和细晶粒(18μm)的纯钛在室温和低温下的拉伸实验结果表明,晶粒的粗化没有降低纯钛的塑性,低温下粗、细晶粒纯钛的塑性均比室温下的高。这种现象与纯钛低温下活跃的孪生密切相关。     

ECAP制备超细晶钛的力学性能研究

采用等径弯曲通道变形成功实现工业纯钛室温8道次变形.ECAP变形后,工业纯钛晶粒明显细化,力学性能显著提高,抗拉强度从407MPa提高到791MPa,并保持良好塑性,硬度最终达到2641 MPa,成为高性能超细晶纯钛.     

退火工艺对冷轧工业纯钛带卷各向异性的影响

力学性能各向异性是影响工业纯钛板带材成形性能的主要因素之一。为制备低各向异性工业纯钛带卷,采用室温拉伸试验和电子背散射衍射技术表征了经不同工艺退火后冷轧工业纯钛的力学性能、显微组织和织构,分析了退火工艺对工业纯钛带卷力学性能各向异性的影响规律。结果表明,退火温度固定时,延长退火时间,TA1钛带纵向屈服强度降低程度大于横向,导致其各向异性升高,而退火超过一定时间后其各向异性趋于稳定,700 ℃时钛带纵横向屈服强度差值的稳定值为82 MPa,610 ℃时的稳定值为58 MPa;退火时间固定时,在所研究温度范围内,退火温度越高,钛带各向异性越显著。织构分析表明,延长退火时间或/和升高退火温度,TA1钛带的棱锥织构增强、基面织构减弱,导致室温拉伸时纵横向{1010}<1120>柱面滑移的施密特因子差值增大,从而表现出更明显的力学性能各向异性。     

专利信息（Ⅲ）

专利名称：高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法;专利名称：一种改善Cu—Ag合金硬度和电导率的固溶时效工艺     

超细晶纯钛阳极氧化表面性能研究

研究了常规纯钛和超细晶纯钛阳极氧化表面的形貌、膜-基结合力、抗腐蚀性能和微动摩擦磨损性能。结果表明:与常规纯钛氧化表面相比,超细晶纯钛氧化表面具有更多纳米尺度孔穴,更高的膜-基结合力(后者是前者的2倍),更高的抗模拟体液电化学腐蚀性能(后者的腐蚀速率是前者的2/5),更低的摩擦系数(0.12:0.34)、更高的耐磨性。分析认为,以上性能变化是纯钛组织超细化提高其晶体缺陷(内能)所致。     

钛的激光渗氧硬化研究

研究了钛及其合金的激光渗氧硬化方法。对工业纯钛的初步试验结果表明,用激光进行固态扩散渗氧处理可以明显改变钛表层组织、硬度和耐磨性。该方法在某零件上的试用效果良好。     

轧制变形超细晶纯钛的电化学腐蚀行为

工业纯钛经过8道次等通道弯角挤压处理后,在室温或液氮温度下进行轧制。随后以林格式人工模拟体液为腐蚀介质,对两步大变形前后纯钛的电化学腐蚀行为进行了研究。结果表明,8道次ECAE处理后获得的超细晶纯钛,较退火粗晶态具有更好的轧制变形能力。两步大变形制备超细晶纯钛不仅表现出良好的综合力学性能,而且具备优异的耐腐蚀性能。8道次ECAE处理的纯钛在室温冷轧后的耐腐蚀性较液氮温度冷轧后好,主要因为不同温度轧制织构组分改变使得平行于样品表面的晶面变为密排面或低指数晶面,比高指数晶面难溶解,呈现更优的耐腐蚀性能。