本發(fā)明屬于鈦合金材料加工，尤其涉及一種超高強(qiáng)高韌ti-6al-4v合金板材的制造方法。

背景技術(shù)：

1、ti-6al-4v合金，作為一種廣泛應(yīng)用的鈦合金材料，因其優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的耐腐蝕性，在航空航天、醫(yī)療器械以及眾多工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于材料性能的要求也日益提高，特別是在高強(qiáng)度和高韌性方面的需求。

2、晶粒(組織)細(xì)化是同時(shí)提高材料強(qiáng)度和韌性的有效途徑，近年來，采用強(qiáng)烈塑性變形(severe?plastic?deformation，spd)方法制備超細(xì)晶(ufg，小于1微米)或納米晶(ng，小于100納米)材料的相關(guān)研究受到材料學(xué)者的廣泛關(guān)注。強(qiáng)烈塑性變形的常用方法主要有大變形軋制(heavy?deformation?rolling，hdr)：能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)材料的形狀和尺寸要求較小，但對(duì)軋制設(shè)備和工藝參數(shù)的控制要求較高；高壓扭轉(zhuǎn)(high?pressuretorsion，hpt)：能夠顯著細(xì)化晶粒至超細(xì)晶或納米晶級(jí)別，改善材料的力學(xué)性能和物理性能，但對(duì)試樣的尺寸和形狀有一定限制，設(shè)備成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；等通道角擠壓(equal-channel?angular?extrusion?or?pressing，ecae/ecap)：能夠顯著細(xì)化晶粒，晶粒尺寸分布均勻，且改善材料的力學(xué)性能，但模具設(shè)計(jì)要求高，且生產(chǎn)效率低，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；累積疊軋焊(accumulative?roll?bonding，arb)：能夠?qū)崿F(xiàn)大塊超細(xì)晶材料的制備，工藝相對(duì)簡單，但工藝流程較長，焊接界面處可能存在質(zhì)量問題。

3、專利文獻(xiàn)cn?116060470?b提供了一種鈦合金ta32厚板及其制備方法，該發(fā)明中間厚度壞料在兩相區(qū)溫度區(qū)間920～960℃內(nèi)充分變形，并逐漸減小加工溫度范圍至930～950℃，有效減弱板材的相變織構(gòu)。此外，采用該發(fā)明所述方法制備得到的550℃鈦合金ta32厚板顯微組織均勻，室溫拉伸性能和持久性能優(yōu)異，力學(xué)性能穩(wěn)定。但該方法制備的ta32板材抗拉強(qiáng)度較低，僅900mpa，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高性能鈦合金的迫切需求。

4、專利文獻(xiàn)cn?115971249?a提供了一種超薄tc4鈦合金板材的制備方法，步驟包括熱軋開坯、熱軋二火、淬火、熱軋三火、雙片疊軋、鋼板包覆軋制、冷軋和階梯退火處理。該發(fā)明使用的雙片疊軋和鋼板包覆軋制有效克服了熱軋機(jī)最小厚度的軋制極限，在優(yōu)化組織的同時(shí)，大大提高了生產(chǎn)效率。特別將雙片疊軋?jiān)O(shè)于鋼板包覆軋制前，能夠高效、低成本地為鋼板包覆軋制提供高精度板坯，有利于充分發(fā)揮鋼板包覆軋制的特點(diǎn)，有效得到厚度薄、均勻性好的包軋板坯；整體上還降低了后續(xù)冷軋壓力，能夠有效發(fā)揮冷軋高表面質(zhì)量的效果。但此法制備的板材平均晶粒尺度在2.8～7.0μm之間，嚴(yán)重限制了板材的力學(xué)性能上限，僅有1100mpa左右。

5、傳統(tǒng)的制造方法雖能調(diào)控ti-6al-4v合金的性能，但難以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度同時(shí)獲得高韌性。本發(fā)明旨在使產(chǎn)品兼具高強(qiáng)度和高韌性，采用大變形軋制和熱處理相結(jié)合的工藝，大變形軋制重塑材料內(nèi)部組織，熱處理則進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，二者相輔相成，將材料晶粒度細(xì)化至150～400nm，材料組織為超細(xì)片層狀組織+納米析出相，提高材料強(qiáng)度的同時(shí)保持材料良好的韌性。故本發(fā)明擬提供一種超高強(qiáng)高韌ti-6al-4v合金板材的制造方法，使材料具備高強(qiáng)度的同時(shí)兼具高韌性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種超高強(qiáng)高韌ti-6al-4v合金板材的制造方法，采用大變形軋制和熱處理工藝相結(jié)合的方法，使合金組織顯著細(xì)化，通過超細(xì)片層組織實(shí)現(xiàn)ti-6al-4v合金強(qiáng)度和韌性的雙重提升，工藝簡單易行，可利用一般工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)效率高，易于工業(yè)化應(yīng)用。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、一種超高強(qiáng)高韌ti-6al-4v合金板材的制造方法，包括以下步驟：

4、步驟1高溫固溶處理：將初始合金置于(tβ+20～tβ+50)℃的熱處理爐中進(jìn)行充分保溫處理，冷卻至室溫；

5、步驟2大變形軋制：將步驟1固溶處理后的材料進(jìn)行大變形軋制加工處理，所采用的大變形軋制為高溫?zé)彳?大形變溫軋、大變形溫軋、大變形溫軋+冷軋、高溫?zé)彳?大變形溫軋+冷軋四種方式中的任意一種；

6、步驟3組織超細(xì)化梯度熱處理：將步驟2的板材進(jìn)行梯度熱處理組織調(diào)控，采用低溫+中溫短時(shí)連續(xù)退火、高溫短時(shí)退火+淬火+低溫回火、低溫退火+高溫短時(shí)保溫+淬火三種方式中的任意一種，獲得超細(xì)組織結(jié)構(gòu)的ti-6al-4v合金板材。

7、優(yōu)選地，步驟2所述的大變形軋制中，軋制方式采用大變形異步軋制或大變形異步軋制+同步軋制，異步軋制的異速比為1.2～2.0，軋制總變形量不小90％；步驟3所述的組織超細(xì)化梯度熱處理中，低溫退火處理的溫度不高于300℃，中溫短時(shí)熱處理溫度為500～700℃，高溫短時(shí)熱處理溫度為850～1150℃，短時(shí)保溫時(shí)間不高于30min。

8、優(yōu)選地，步驟2所述的大變形軋制中，采用高溫?zé)彳?大變形溫軋制，其中：大變形溫軋采用異步軋制+同步軋制方式，且總變形量不小于92％，終軋板材厚度為2.0mm及以下；步驟3所述的組織超細(xì)化梯度熱處理中，采用高溫短時(shí)退火+淬火+低溫回火工藝，高溫短時(shí)熱處理溫度為950～1050℃，短時(shí)保溫時(shí)間不高于10min，低溫退火處理的溫度不高于300℃。

9、優(yōu)選地，步驟2所述的大變形軋制中，采用異步軋制+同步軋制方式，異步軋制變形量不小于85％，同步軋制變形量不小于10％，總變形量不小于95％，終軋板材厚度為1.5mm及以下；步驟3所述的組織超細(xì)化梯度熱處理中，采用高溫短時(shí)退火+淬火+低溫回火工藝，高溫短時(shí)處理溫度為1000～1050℃，短時(shí)保溫時(shí)間為2.0～5.0min，低溫退火處理為250～300℃，保溫為時(shí)間為20～30min。

10、進(jìn)一步地，步驟1高溫固溶處理中，采用分段梯度式隨爐加熱的升溫方式，且tr～(tβ-200)℃的升溫速率為180～240℃/h，(tβ-200)℃以后升溫速率為60～80℃/h，其中tr為室溫。

11、進(jìn)一步地，步驟2大變形軋制中采用的大變形異步軋制，為軋輥直徑相同而轉(zhuǎn)速不同、軋輥直徑不同而轉(zhuǎn)速相同或軋輥直徑和轉(zhuǎn)速均不相同三種方式中的任意一種。

12、進(jìn)一步地，步驟2大變形軋制中，第一道次為沿板坯寬度方向單次軋制；第二道次為將板坯旋轉(zhuǎn)板坯90°，沿板坯長度方向單次軋制。

13、進(jìn)一步地，步驟2大變形軋制中采用的高溫?zé)彳垶樵?50～1100℃加熱20～30min，進(jìn)行3～6道次換向熱軋，終軋溫度不低于900℃；大變形溫軋為在700～850℃進(jìn)行2～3道次連續(xù)溫軋制；冷軋為在室溫下進(jìn)行2道次連續(xù)軋制。

14、進(jìn)一步地，步驟2所述處理后ti-6al-4v為典型的β轉(zhuǎn)變組織，即在α片層中間分布著薄層片狀β相的超細(xì)片層組織，呈現(xiàn)細(xì)密顯微剪切帶，平均尺寸為100～150nm。

15、利用大變形軋制處理使合金顯著細(xì)化組織并在再結(jié)晶溫度以上發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。組織細(xì)化使單位面積中的晶界數(shù)量增多，晶界對(duì)位錯(cuò)的塞積作用導(dǎo)致位錯(cuò)移動(dòng)所受阻力增加，材料強(qiáng)度增加；而相對(duì)細(xì)小的晶粒在變形時(shí)位錯(cuò)可以在更多晶粒中啟動(dòng)，不同晶粒間的變形更容易協(xié)調(diào)，推遲了應(yīng)力集中和斷裂的發(fā)生，從而在保持較高強(qiáng)度的同時(shí)提升了合金的塑性。晶界處聚集的大量位錯(cuò)成為異質(zhì)形核點(diǎn)(非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶)或細(xì)小的低角度亞晶在劇烈變形時(shí)直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦呓嵌?連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)品)，引入高密度位錯(cuò)與高晶格畸變，對(duì)材料的強(qiáng)度、硬度值的提升起明顯作用。

16、進(jìn)一步地，步驟(3)組織超細(xì)化梯度熱處理中，采用低溫+中溫短時(shí)連續(xù)退火工藝，終態(tài)材料組織保持片層架構(gòu)，片層組織的基體中分布有大量彌散分布的納米析出；采用高溫短時(shí)退火+淬火+低溫回火或低溫退火+高溫短時(shí)保溫+淬火工藝，高溫短時(shí)時(shí)間低于10min，終態(tài)材料組織基本還保留片層的宏觀結(jié)構(gòu)特征，即α+β雙相超細(xì)片層組織結(jié)構(gòu)與彌散分布的納米析出；采用高溫短時(shí)退火+淬火+低溫回火或低溫退火+高溫短時(shí)保溫+淬火工藝，高溫短時(shí)時(shí)間超過10min，終態(tài)材料組織轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)的等軸狀(α+β)相以及在β相內(nèi)彌散分布的六方馬氏體α’相，平均晶粒尺寸為150～400nm。

17、進(jìn)一步地，通過本工藝制備的合金板材的屈服強(qiáng)度不低于1000mpa，抗拉強(qiáng)度不低于1200mpa，總延伸率不小于5.0％。

18、進(jìn)一步地，優(yōu)選工藝所制備超細(xì)片層組織結(jié)構(gòu)的合金板材的屈服強(qiáng)度不低于1200mpa，抗拉強(qiáng)度不低于1500mpa，延伸率不低于8.0％。

19、利用組織超細(xì)化梯度熱處理，低溫與中溫退火時(shí)合金會(huì)發(fā)生產(chǎn)生六方馬氏體α’相和亞穩(wěn)β相的時(shí)效和回復(fù)現(xiàn)象，時(shí)效過程中會(huì)形成彌散分布的α、β納米析出相，從而產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，強(qiáng)度和硬度上升。高溫退火時(shí)，經(jīng)過塑性變形的ti-6al-4v組織發(fā)生再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒長大并逐漸分解原始片層狀組織，獲得超細(xì)晶等軸等軸β相和等軸α相，平均晶粒尺寸為150～400nm，使合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

20、本發(fā)明中，以ti-6al-4v合金為原料，采用高溫固溶處理、大變形軋制、組織超細(xì)化梯度熱處理的方法對(duì)ti-6al-4v合金進(jìn)行處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

21、1.本發(fā)明工藝通過高溫固溶、軋制開坯、大變形軋制、梯度溫軋制以及組織超細(xì)化梯度熱處理幾個(gè)步驟，細(xì)化了合金的晶粒結(jié)構(gòu)并引入了彌散分布的強(qiáng)化相，從而有效提高了合金的力學(xué)性能。最終不低于1200mpa，抗拉強(qiáng)度不低于1500mpa，延伸率不低于8.0％，顯示出優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性。

22、2.本專利的工藝方法能夠顯著改善ti-6al-4v合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。經(jīng)過大變形軋制處理后，合金呈現(xiàn)出典型的β轉(zhuǎn)變組織，即α+β雙相超細(xì)片層組織結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)細(xì)密顯微剪切帶。此外，組織超細(xì)化梯度熱處理后，合金或保持原有超細(xì)片層組織結(jié)構(gòu)，或轉(zhuǎn)變?yōu)榈容Sα+β相以及在β相內(nèi)彌散分布的六方馬氏體α’相，同時(shí)基體中還有大量的納米析出，這種優(yōu)化的組織結(jié)構(gòu)為合金提供了更好的機(jī)械性能和耐久性。

23、3.本專利提供的形變熱處理工藝方法具有較高的靈活性和適用性。通過調(diào)整各個(gè)步驟中的溫度、時(shí)間和變形量等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)合金性能的精確調(diào)控。此外，該工藝適用于不同原始狀態(tài)的ti-6al-4v合金原料(如鑄態(tài)、熱軋態(tài)、退火態(tài)或固溶時(shí)效態(tài))，進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。這種靈活性使得該工藝能夠根據(jù)不同需求定制合金的性能，滿足多樣化的工程應(yīng)用要求。