通过热挤压和冷轧纯钛获得的超细晶钛及其性能研究.doc

通过热挤压和冷轧纯钛获得的超细晶钛及其性能Vladimir V. Stolyarov a, Y. Theodore Zhu b, Igor V. Alexandrov a, Terry C. Lowe b,Ruslan Z. Valieva俄罗斯，乌法国立航空技术大学，先进材料物理研究所美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，材料科学与技术部摘要这项研究探索出通过2次剧烈塑性变形来获得强度得到显著提升的超细晶钛。首先使用温等通道转角挤压（ECAP）将钛坯晶粒尺寸转变到350nm，再将钛坯进行重复的冷轧（CR）。通过这两个步骤得到的超细晶（UFG）钛的强度与常见的Ti-6Al-4V合金相当。本文介绍了通过c和冷轧后的钛坯的微观结构，力学性能和热稳定性。关键词：等通道转角挤压，冷轧，超细晶粒，钛，微观结构，知识产权1. 引言 等通道转角挤压已用于处理超细晶金属及合金，包括：Cu，Ni，Ti，Al及其合金。超细晶金属及其合金具有优越的机械性能如高强度，提高了的疲劳强度和超塑性。当然，处理低延展性的难变形材料具有难度，例如Ti，钢和难熔金属。通过等通道转角挤压时他们可能会断裂成碎片，因为他们缺乏足够的韧性维持挤压塑性变形。为了提高商业纯(CP)钛的加工性能，我们将其置于在一种特殊的模具和400-450的温度下处理。根据钛坯的直径，挤压所得到的平均晶粒尺寸为260-350nm。钛坯直径越大，晶粒尺寸越大。虽然通过等通道转角挤压显著地改善了粗粒度Ti，提高其强度达到80%，但只将其强度提高到与Ti-6Al-4V相当的水品是不够的。商业纯钛的化学惰性和生物相容性比Ti-6Al-4V要好的多，是当前做医疗植入的首选材料。所以，搞强度的商业纯钛取代Ti-6Al-4V在医疗需求上是非常具有吸引力的 。为了进一步提高等通道转角挤压后钛坯的强度，冷变形可结合等通道转角挤压进一步引入晶粒缺陷和细化晶粒。冷变形技术应选择要求低加工性能并且可在室温下处理商业纯钛而不破坏工件。在此调查中，我们结合等通道转角挤压和冷轧来进一步提高商业纯钛的强度。首先钛棒将通过加热的等通道转角挤压处理以降低晶粒大小，然后在室温下冷轧。在这项研究中，生产地商业纯钛最大强度与通过等通道转角挤压加冷挤压所获得的相当，并且高于Ti-6Al-4V的强度。这篇文章报道了通过通道转角挤压和冷轧获得的高细晶粒商业纯钛的实验过程，微观结构，力学性能和热稳定性。2. 实验过程CP钛作为起始原料，它的平均粒度为10毫米并且含有杂质包括0.12%O,0.01%H,0.04%N,0.07%C(质量分数)还包括0.18%Fe。选用沿其纵轴方向顺时针旋转90的冲模，CP钛锭在此模具中通过等通道转角挤压的加工和处理。选用这种路线，对于直径25mm长100mm的钛锭可以生产出最好的表面质量并获得更多的等轴晶。所有的锭块通过8-12次的挤压，首次通过的温度为450，每一次通过温度都在下降，在第8次时温度为400，第12次为350.使用二硫化钼为润滑剂。锭块通过等通道转角挤压被加工成直径16mm，长80mm以适合滚筒的尺寸并获得光滑的表面光洁度。然后将锭块以0.1m/s的速度进行轧制，每次通过直径减少0.5-1mm。锭块的横截面从圆形改变到椭圆形再到方形如图1所示。在滚动过程中自热是钛坯的温度升高到100.所以在每次轧制结束后，钛坯应放在冷水中冷却到室温。总轧制压力通过总横截面减少35%-73%计算。在一批20个的样品中，在冷轧后没有发现表面裂纹，相比之下，类似的实验在冷挤压过后，有时样品的表面出现裂纹，尽管每次挤压前都在表面涂抹润滑油。这体现了冷轧处理的优势。图1.滚动方案：锭块的横截面从圆形改变到椭圆形再到方形用透射电子显微镜观察样品的粒形和微观结构前，将样品横切和纵切并通过喷气电解。分别拍摄其明场像和暗场像，显微镜型号为JEM-100B。加速电压采用100KV，电子衍射面积选取一2平方微米的面积。X射线结构分析是用来测量峰值扩大，晶粒尺寸（相干散射区域大小）和弹性应变。X射线数据收集通过DRON-4-07配备了布拉格布伦塔诺量角器，CuKa (Ka1_/1.54056 A，Ka2_/1.54439 A)辐射源，石墨单色器，碘化钠闪烁探测器。X射线管固定，样品和检测器旋转。一步扫描用尺寸0.02，计时为15s。用傅里叶分析法减去相应工具的剖面图获得了X射线衍射峰值的物理剖面图。拉伸试验在室温下进行，采用IR-5047-50万能试验机。圆柱形钛锭样品的尺寸被加工成为为直径5mm，长25mm，整个实验过程的拉伸速率为1mm/min，测得其屈服强度，极限强度，断裂时的伸长率，缩颈后的横截面积的减少量。为了研究热稳定性，经过8次等通道转角挤压和形变为35%，55%和73%的形变冷轧的一些钛锭放在温度为200-500环境下退火半个小时。退火样品的硬度测试采用维氏硬度，在负载为100g的条件下保持10s。每个样品进行10次测量，它们的平均值作为样本的显微硬度。3.实验结果和分析3.1微观结构3.1.1TEM分析图2显示了钛坯经过8次等通道转角挤压后所获得的TEM照片和选定区域的电子衍射花样。图2a是钛坯横截面的照片，图2b是纵切钛坯拍摄的照片。横截面被选定区域的电子衍射花样表明存在着大量大角度的晶界。丛集衍射点表明存在小角度晶界。这样大角度和小角度晶界并存的混合体是金属及合金经过挤压加工后的典型衍射花样。图2a中横截面的平均晶粒尺寸大约为280nm，从图2b中可以看出晶粒在纵向有所拉长，这与我们先前所说的经过等通道转角挤压生产平均晶粒尺寸为260nm的等轴晶一致。 图2.经过8次等通道转角挤压钛坯的横截面和纵切面的TEM显微照片和选区电子衍射花样。钛坯的原始直径是25mm图3显示的是钛坯经过8次等通道转角挤压再在室温下冷轧到应变35%。在冷轧时没有经过中间退火。图3a显示钛坯横截面的平均晶粒尺寸为170nm，比经过等通道转角挤压的晶粒尺寸（280nm）小的多。比较图3a和图2说明冷轧在CP钛工件中引入了更多的位错。此外，经过冷轧后在纵向等轴晶变少，图3b表明晶粒在纵向被拉长，晶粒中出现高的位错密度和位错网。从图3可以看出冷轧应变35%只是拉长了经过等通道转角挤压获得的等轴晶，并没有进一步细化晶粒。 图3.经过8次等通道转角挤压和35%应变冷轧后的钛坯横截面a和纵切面b的TEM显微照片和选区电子衍射花样进一步冷轧到应变55%是晶粒形状更加不规则，更少的等轴晶在纵切方向。此外，晶界变得不明显，在多数情况下，变的模糊。因此，在纵向很难测量晶粒尺寸。但是经过55%滚动应变获得的平均晶粒尺寸理应小于经过35%滚动应变所获得的晶粒尺寸因为在纵向伸长方向晶粒的进一步拉长。在纵切面清晰的看到丝状晶粒剧烈的破碎、。这些碎片彼此间存在着小角度的方向错位，换句话说，这些碎片主要是亚晶胞。演示点的方位传播大概为5-7，表明存在高的内应力。横截面和纵切面的明场TEM照片显示高的位错密度。进一步的冷轧到高于应变55%没有导致微观结构的急剧变化除了丝状结构的更加强烈的破碎。在非常高的冷轧形变后，一些低角度的晶界变成了高角度的晶界。图4.经过8次等通道转角挤压和55%应变冷轧的钛坯横截面a和纵切面b的TEM显微照片和选区电子衍射花样。 图5.经过12次等通道转角挤压和35%应变冷轧的钛坯横截面a和纵切面b的TEM显微照片和选区电子衍射花样。图5显示的是钛坯经过12次通道转角挤压和室温下冷轧到滚动应变35%的微观结构。这些微观结构与图3显示的非常不同（注意图3和5的放大倍数不同）。图5a中的横截面晶粒比图3a中的更小，图5b中的纵剖面晶粒比图3b的更加分散。这些不同点是由于在冷轧前通过通道转角挤压的次数不同造成的。有趣的是，图5a的微观结构较图3a更加与图4a类似，这表明通过通道转角挤压的次数显著的影响在随后的冷轧过程中微观结构的演变。比较图5a和图4a发现图5a中的晶界比图4a变得更加尖锐，可能是由于晶界诱导晶格位错的原因。纵切面的微观结构（图5b）显示比图4b拥有更少的丝状晶粒和更多的碎片。图5b还显示了比图4b更加清晰的晶界。在图5b中亚结构的高位错密度很容易观察到。众所周知，虽然在第4次通道转角挤压后晶粒尺寸不再进一步细化，但高角度晶界的分数却继续增加在进一步的通道转角挤压应变。所以，钛坯经过12次通道转角挤压拥有的高分数的高角度晶界导致了图3和图5中结构的不同。3.1.2 X射线分析横截面在冷轧前后的X射线峰值的积分宽度列于表1，可以看出CP钛坯经过8次和12次的通道转角挤压，进一步的冷轧后，X射线的峰值宽度都在增加。峰值宽度的加是受到晶粒细化，缺陷密度的增加和晶格畸变的影响。/1 0 1 0/-/2 0 2 0/ 和0 0 0 2-0 0 0 4峰值用来计算晶粒尺寸（或者更确切的说，相干散射区域的大小）和弹性晶格应变。由于纹理的形成，1 0 1 0-2 0 2 0峰在从横截面收集的数据中拥有更高的强度，而0 0 0 2-0 0 0 4在从纵切面获得的数据中拥有更高的强度。所以，我们用横切面中的1 0 1 0-2 0 2 0峰和纵切面的0 0 0 2-0 0 0 4峰来晶粒的尺寸和弹性应变。读者可以参考【24】来获得更多关于如何计算晶粒尺寸和弹性晶格应变的信息。经过通道转角挤压和通道转角挤压+冷轧过后的CP钛的相干散射区域大小和弹性晶格应变（e）1/2的计算列于表2。（e）1/2是均方根晶格应变。在横截面和纵切面上的相干散射区域大小可能不同，因为晶粒在纵向方向上的拉长。不能比较经过不同处理状态的样品的相干散射区域的大小，因为这些区域的大小不能通过高峰的扩展情况而精确计算。但是，我们注意到在冷轧过后的 相干散射区域大小小于100nm。相干散射区域的大小通常小于通过TEM测得的晶粒尺寸【24，26】。样品经过8次通道转角挤压后进一步的冷轧（应变35%）将内部弹性应变从0.1%增加到0.24%。这与定性的TEM观察数据一致，表明冷轧引入了较高的位错密度（表2）。当然，我们应当注意到现有的X射线分析方法没有给出微晶尺寸和经过剧烈塑性变形（SPD）处理的hcpTi的弹性微失真的可靠数据。所以，对X射线数据的详细分析是不可取的。问题在不久的将来通过使用新的方法来解决。3.2 拉伸性能对直径为5mm，长25mm的圆柱形样品进行了拉伸实验。读者可以查阅1获得样品几何形状更详细的信息。样品的纵轴和坯料的一致。3个样品做了3个进程状态的测试，至少有2个成功的测试。平均力学性能列于表3. 经过等通道转角挤压，0.2%残留变形强度和最大屈服强度分别增加到640和710MPa。经过35%应变的冷轧，0.2%残留变形强度和最大屈服强度分别增加至940和1040MPa，这个数据远远高于Ti-6Al-4V合金。进一步冷轧至应变55%使0.2%残留变形强度和极限强度更高。相比之下，只进行35%应变的冷轧和经过等通道转角挤压所获得的效果相当。从表3可以看出，样品经过12次等通道转角挤压（样品7）的延展性高于经过8次等通道转角挤压的样品（样品4），尽管它们都通过应变35%的冷轧。这是因为经过12次等通道转角挤压的样品与经过8次等通道转角挤压的样品相比具有高比例的高角晶界，正如前面得出的结论。可得知金属材料的延展性随经过等通道转角挤压的次数的增加而提高。也可以从表3中看出，样品8和9具有高屈服强度（900MPa）和高延展性（到断裂时的延伸率12%）。这些优良的机械性能满足了作为构架的要求。两者都经过300的退火。在低于300的条件下退火处理的经过剧烈塑性变形的CP钛普遍提高了延展性同时不会降低强度【19.20】。总之，经过温等通道转角挤压，冷轧和低温退火处理的CP钛可以获得良好的机械性能。3.3.热稳定性通过测定钛坯在退火后的硬度变化来研究其热稳定性。所有的样品经过8次等通道转角挤压和不同应变的冷轧。图6显示了经过半小时变温退火样品的横截面的显微硬度。如图所示，经过35%应变和55%应变冷轧的样品的显微硬度在低于300增加，在大约400时开始下降。不是很清楚是什么引起在低于300时硬度的上升，但这种现象在多种经过剧烈塑性变形处理过的材料在低温退火后都发现过。这可能与晶界回复有关15。图6.经过8次等通道转角挤压和冷轧应变为35%和55%的样品在半小时退火过程中横截面的显微硬度变化曲线图7显示的是CP钛经过半小时400退火处理的TEM显微照片。照片是样品经过8次等通道转角挤压和应变35%的冷轧后的横截面。与图3a相比，退火使晶粒由不规则变为规则形状，并且显著的降低了位错密度。当然，高的位错密度仍然存在于大多数晶粒。消光轮廓不存在于图3a中，而出现在许多晶界附近，表明内部弹性应变的起伏不定。没有发现大量的晶粒长大。更重要的微观结构的变化在样品纵切面的明场像和暗场像中都有发现。图3b中纤维状的晶粒在400退火后变成了几乎是等轴晶（图7b和c）。位错密度，虽然与图3b中相比较少，但图7.经过8次等通道转角挤压，35%应变冷轧和半个小时400退火处理的钛坯的TEM显微照片和选区电子衍射花样。a.横截面，明场像；b.纵切面，明场像；c.暗场像（注意a和c的放大倍数不同） 图8.经过8次等通道转角挤压和55%应变冷轧，400半小时退火处理的钛坯的TEM显微照片和选区电子衍射花样。a.横截面，明场像；b.纵切面，明场像；c.纵切面，暗场像仍非常高在退火后。这表明晶胞和低角度取向误差的次晶粒在退火中形成。这也与选区电子衍射花样显示群集的衍射斑（图7b）相符合。在图8中显示了CP钛经过8次等通道转角挤压和应变55%的冷轧，400退火半小时的显微结构。比较图8a和图4a，可以发现一点，在横街面上，晶粒由不规则转变到更加规则的形状，位错密度在退火后降低。在纵切面上（图8b和c），胞状结构形成并与纤维状结构并存。这与样品经过35%应变冷轧的微观结构（图7b和c）不同，后者显示在400退火后的纵切面上存在几乎等轴的晶粒。图7和图8的TEM显微照片显示境界的迁移代替了大规模的再结晶，是晶粒形状变得更加规则。所以，显微硬度在低于400时降低很大程度上是由于位错密度通过脱位，毁灭和重排而降低造成的。这些微观结构的改变表明微观硬度在低于400的退火后的改变是由于回复过程。高的微观硬度在高于400退火时降低很可能是由于再结晶。4.概括和总结我们通过等通道转角挤压和冷轧制得了超细晶纯钛，并且获得了0.2%残留变形强度和极限强度分别达到1020和1050MPa。TEM微观照片显示了冷轧引入高的位错密度，拉长了晶粒，使晶粒损坏，从规则的形状变成不规则的形状，这从钛坯的横截面可以看的到。X射线分析表明，经过8次等通道转角挤压的钛坯经冷轧显著地增加了内部弹性应变，当然，经过12次等通道转角挤压的样品经冷轧没有显著地弹性应变。300的退火提高了样品的延展性并且极低的降低其强度，因而如果经过强烈塑性变形的CP钛用于结构支架式制得推荐的。我们发现任何低于400的退火都不会改变其晶粒尺寸，但导致了微观结构的恢复。这项研究还证明了组合等通道转角挤压和冷轧相对于等通道转角挤压和冷挤出是一种制备用于结构应用的高强度超细晶材料的更加好的技术手段。参考书目1 V.V. 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