納米結構的鈦合金以及用于熱機械加工它們的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種納米結構的材料，并且更具體地說，具有增強的材料特性的納米 結構的鈦合金，該鈦合金具有發展的Ct鈦結構。
【背景技術】
[0002] 已知的是微結構在機械特性的建立中起一種關鍵的作用。取決于加工方法，可以 發展材料的結構以增強材料特性。例如，有可能使用機械的、或熱機械加工技術來改變材料 的晶粒或晶體結構。
[0003] 美國專利申請2011/0179848披露了一種用于生物醫學應用的具有增強特性的工 業純鈦產品。該鈦產品具有納米晶體結構，該納米晶體結構相對于原始機械特性提供了 增強的特性，包括機械強度、抗疲勞破裂性、以及生物醫學特性。披露的是，使用一種等通 道角壓制（ECAP)技術在不大于450°C的溫度下使該已知的鈦產品首先經受劇烈塑性形變 (SH))，其中總真實累積應變e 3 4,并且然后隨后使用熱機械處理發展，其中應變程度從 40%至80%。具體地，該熱機械處理包括用逐漸減小的在T = 450°C ... 350°C范圍內的溫 度以及10 2. .. 104S1的應變速率所進行的塑性形變。
[0004] 雖然這種已知的技術實現了用于工業純鈦的較高水平的機械特性，但是存在著一 種需要來增加用于不同工程應用的鈦合金中的拉伸和/或剪切強度、以及疲勞特性的水 平，這些工程應用包括但不限于生物醫學、能量、高性能運動商品、以及航天應用。
【發明內容】
[0005] 鑒于這些缺點，本發明的一個目的尤其除其他之外是增加鈦合金的強度和抗疲勞 性的水平。
[0006] 其結果是，提供了一種納米結構的鈦合金物品。該納米結構的合金包括一種具有 至少80%的< I. 0微米尺寸的晶粒的發展的鈦結構。
【附圖說明】
[0007] 將參考附圖來描述本發明的示例性實施例，其中：
[0008] 圖1是使用電子背散射衍射獲取的已知工業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本發明的納米結構的工業純鈦合金的一 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，示出了根據本發明的納米結構 的工業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，示出了根據本發明的納米結構 的工業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，示出了根據本發明的納米結構 的工業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，示出了根據本發明的納米結構 的工業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本發明的具有多個等軸晶粒的工業純納 米結構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本發明的具有多個具有高位錯密度的晶 粒的工業純納米結構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本發明的示出多個亞晶粒的工業純納米 結構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本發明的納米結構的鈦合金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，示出了根據本發明的納米結 構的鈦合金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，示出了根據本發明的納米結 構的鈦合金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本發明的納米結構的鈦合金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，示出了根據本發明的納米結 構的鈦合金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，示出了根據本發明的納米結 構的鈦合金Ti6A14V ELI的錯取向角分布。
【具體實施方式】
[0029] 本發明是一種納米結構的鈦合金，該鈦合金可以用于不同的行業中用于生產各種 有用的物品，如骨科植入體、醫用和航天緊固件、航天航空結構組件、以及高性能運動商品。 在本發明的一個示例性實施例中，提出了一種工業純鈦的組合物以發展該結構來實現具有 至少80%的是<1微米的晶粒的納米結構，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。其結果是，該納米結構的鈦合金展示出不同的材料特性變化，如在 拉伸強度和/或剪切強度和/或疲勞持久極限上的增加。具體地，該納米結構的鈦合金結 構使用根據本發明的熱機械加工步驟的一種組合來發展。這種方法提供了一種具有超細晶 粒和/或納米晶體結構優勢的發展的微結構。
[0030] 圖1、12、和17對應地示出了起始工業純鈦合金、Ti6A14V、以及Ti6A14VELI的微 結構。圖2、13、和18對應地示出了根據本發明的納米結構的工業純鈦合金、Ti6A14V、以及 Ti6A14V ELI的所產生的結構。這些圖形的檢查清楚地示出了在起始與納米結構的鈦合金 之間的差異。
[0031] 該工件可以由各種本領域中已知的可商購的鈦合金組成，如工業純鈦合金 (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，在本發明的其他示例性實施例中，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械加工步驟的組合加工的以發展具有至少80%的 是<1微米的晶粒的納米結構。
[0033] 在本發明的一個示例性實施例中，一種粗大晶粒工業純鈦合金被用于該工件，該 合金具有按重量百分數計的以下組成：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，其他工業純鈦合金、Ti-6A1-4V、Ti-6A1-4V ELI、Ti-6Al-7Nb、以及Ti-Zr。可以在表1-3中發現這些鈦合金的標準化學組成，其鑒定按 最高wt%計的的標準化學組成（ASTM B348-11，用于鈦和鈦合金的條和坯料的標準規范； ASTM F1295-11，用于鍛造的鈦-6鋁-7鈮合金（用于外科植入體應用）的標準規范；ASTM F136-12a，用于鍛造的鈦-6鋁-4釩ELI(極低的間隙）合金（用于外科植入體應用）的標 準規范；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）經受劇烈塑性形變（"SPD"）和熱機械加工。這些結合的 加工步驟誘導大量的剪切形變，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構。
[0039] 具體地，在該示例性實施例中，使用一個等通道角壓制一致（equal channel angular pressing-conform) (ECAP-C)機器加工該工件，該機器由一個具有圓周槽的旋轉 輪和兩個形成通道的固定模口組成，這些模口以所限定的角度相交。然而，在其他實施例中 還可能的是使用其他已知的工藝類型使該工件經受劇烈塑性形變，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、連續高壓扭轉、扭轉等通道角壓制、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 間產生的摩擦力驅動通過該通道。在低于500°C、優選地100°C _300°C的溫度下，使工業純 鈦合金工件穿過該ECAP-C機器加工。在低于650°C、優選地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機器加工。使該工件穿過 該ECAP-C機器在1次與12次之間，優選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置該模具。為了使可比較的結構演化成 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機器之間將該工件圍繞其 縱軸旋轉90°的角度，這提供了在所發展的結構中的均勻性。這種旋轉的方法被稱為ECAP 路徑B。。然而，在其他實施例中，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 類型金屬成形技術使該工件經受附加的熱機械加工。具體地，該熱機械加工進一步使該工 件的結構