权利要求
1.一种金属板材梯度组织构筑方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将金属铸锭热锻成圆柱形锻材，锻材直径为20mm～40mm;
(2)将锻材进行固溶处理，固溶温度为500～1250℃，保温时间≥30min;
(3)将固溶后的锻材进行轧制处理，轧制为直径4mm～16mm的圆柱形小棒;
(4)对轧制后圆柱形小棒进行轴向轧制为板状金属板材，下压量为50%～80%;
(5)对轧制处理后的金属板材进行再结晶退火，退火温度为600℃～800℃，退火时间为10～60min。
2.根据权利要求1所述的金属板材梯度组织构筑方法，其特征在于，金属包括但不限于TB9钛合金，梯度组织包括但不限于晶粒梯度。
3.根据权利要求1所述的金属板材梯度组织构筑方法，其特征在于，步骤(1)中，金属原料经感应炉熔炼后，浇铸成直径为100mm～200mm、高度为200mm～400mm的金属铸锭;采用车床机械去除金属铸锭表层氧化皮后，金属铸锭经热锻制成最终尺寸为直径20mm～40mm、长度>100mm的圆柱形锻材。
4.根据权利要求3所述的金属板材梯度组织构筑方法，其特征在于，步骤(2)中，将锻材截断，每段长度为100～200mm，随后进行真空环境下固溶处理，优选在温度1000℃±30℃下对锻材进行保温30～60min的固溶处理，随后进行水淬处理至室温。
5.根据权利要求4所述的金属板材梯度组织构筑方法，其特征在于，步骤(4)中，将固溶处理后的锻材进行轧制处理，轧制工艺采用常温下轴向轧制，引入应变梯度。
6.根据权利要求5所述的金属板材梯度组织构筑方法，其特征在于，将轧制后的金属板材进行真空再结晶退火，优选在700℃±30℃下退火10～30min，随后水冷至室温，使晶粒再结晶，由于变形量由外到里逐渐增加，导致晶粒尺寸呈现正梯度分布。
7.根据权利要求6所述的金属板材梯度组织构筑方法，其特征在于，晶粒尺寸为1～100μm。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属材料加工成型的技术领域，尤其是涉及一种金属板材梯度组织构筑方法。
背景技术
[0002]传统金属材料所固有的强度与延展性存在一定制约关系(即强韧性倒置)，限制了其作为结构件在实际工程中的应用范围。具有梯度结构的金属可获得优异的机械性能和功能性，逐渐受到外界关注。在力学性能方面，研究表明梯度结构材料的强度和延展性通常比各组元按混合定律计算得到的比例总和要高得多。有时，梯度结构甚至可以突破同种均质材料中的强度-延性倒置关系，为高性能结构材料的开发提供新的设计思路。
[0003]在疲劳领域，具有正强度梯度的304不锈钢试样比具有负梯度或无梯度的试样具有更好的抵抗疲劳裂纹扩展的能力。在应力控制的高周疲劳试验中，具有梯度纳米结构表面层的AISI 52100钢由于表面疲劳裂纹萌生受到抑制而显示出优异的疲劳性能。在应变控制的低周疲劳试验中，晶粒尺寸负梯度分布的TWIP钢与正梯度或无梯度材料相比显示出更长的疲劳寿命。受引入梯度结构可提高金属材料综合力学性能，尤其是疲劳性能的想法启发，本发明给出了一种在金属中引入梯度分布微观组织的方法。
发明内容
[0004]本发明旨在提供一种金属板材梯度组织构筑方法，解决了或部分解决了大范围梯度组织制备难、效率低的问题，同步提高了金属材料的强韧性和高/低周疲劳性能，从而为开发和制造兼具高强、高韧和高疲劳性能的金属材料与构件提供了一条新思路。
[0005]本发明的技术方案是：
[0006]一种金属板材梯度组织构筑方法，包括以下步骤：
[0007](1)将金属铸锭热锻成圆柱形锻材，锻材直径为20mm～40mm;
[0008](2)将锻材进行固溶处理，固溶温度为500～1250℃，保温时间≥30min;
[0009](3)将固溶后的锻材进行轧制处理，轧制为直径4mm～16mm的圆柱形小棒;
[0010](4)对轧制后圆柱形小棒进行轴向轧制为板状金属板材，下压量为50%～80%;
[0011](5)对轧制处理后的金属板材进行再结晶退火，退火温度为600℃～800℃，退火时间为10～60min。
[0012]所述的金属板材梯度组织构筑方法，金属包括但不限于TB9钛合金，梯度组织包括但不限于晶粒梯度。
[0013]所述的金属板材梯度组织构筑方法，步骤(1)中，金属原料经感应炉熔炼后，浇铸成直径为100mm～200mm、高度为200mm～400mm的金属铸锭;采用车床机械去除金属铸锭表层氧化皮后，金属铸锭经热锻制成最终尺寸为直径20mm～40mm、长度>100mm的圆柱形锻材。
[0014]所述的金属板材梯度组织构筑方法，步骤(2)中，将锻材截断，每段长度为100～200mm，随后进行真空环境下固溶处理，优选在温度1000℃±30℃下对锻材进行保温30～60min的固溶处理，随后进行水淬处理至室温。
[0015]所述的金属板材梯度组织构筑方法，步骤(4)中，将固溶处理后的锻材进行轧制处理，轧制工艺采用常温下轴向轧制，引入应变梯度。
[0016]所述的金属板材梯度组织构筑方法，将轧制后的金属板材进行真空再结晶退火，优选在700℃±30℃下退火10～30min，随后水冷至室温，使晶粒再结晶，由于变形量由外到里逐渐增加，导致晶粒尺寸呈现正梯度分布。
[0017]所述的金属板材梯度组织构筑方法，晶粒尺寸为1～100μm。
[0018]本发明的设计思想是：
[0019]本发明通过轧制加退火的合理工艺组合实现微观组织梯度构筑。理论上讲，退火后的再结晶晶粒尺寸由形核率和晶粒长大速率决定。形核率越大且长大速率越小，晶粒尺寸越小。形核通常需要材料有一个预变形，当储存的畸变能满足局部区域的再结晶形核能量条件，形核就可能发生。并且，预变形量越大，形核率越高。如图1-图2所示，轧制处理使得材料从边缘到芯部变形量逐渐增大，芯部具有最大的预变形量，因此通过再结晶退火芯部优先形核长大，而靠近边缘则延迟形核长大，使得从外到内晶粒结构呈现由细到粗的正梯度分布。
[0020]本发明的优点及有益效果是：
[0021]1.本发明提供一种金属板材梯度组织构筑方法，通过轧制后再结晶热处理，实现金属晶粒结构呈现正梯度分布。通过调控晶粒尺寸及其分布，实现力学性能的优化设计。
[0022]2.本发明旨在通过构筑梯度组织的金属板材，从而最大程度地发掘梯度材料综合力学性能，有望同步提高合金的强韧性和高/低周疲劳性能。
[0023]3.本发明适用于面向工业工程和生物医学领域的各类金属材料，特别是航空航天构件对材料轻质、高强韧、高可靠性的要求，以及植入体构件对材料梯度功能性的要求，本发明为其提供了设计制造的新思路和新途径。
附图说明
[0024]图1-图2为发明工艺原理图;其中，图1为塑性变形原理图，图2为预变形量-晶粒尺寸关系图。
[0025]图3-图5为发明的核心工艺示意图;其中，图3和图4为轴向轧制试样示意图，1轧辊，2圆柱形小棒轧制试样，3板状轧制试样;图5为真空再结晶退火。
[0026]图6为通过梯度组织构筑后，TB9钛合金内部微观结构展示图。其中，(a)为边缘处微观结构，(b)为过渡区域微观结构，(c)为芯部微观结构。
具体实施方式
[0027]在具体实施过程中，本发明提出一种金属板材梯度组织构筑方法。如图1-图6所示，该方法包括以下步骤：(1)将金属铸锭热锻成圆柱形锻材，锻材直径为20mm～40mm; (2)将锻材进行固溶处理，固溶温度为500～1250℃，保温时间≥30 min; (3)将固溶后的锻材通过两个轧辊1进行轧制处理，轧制为直径4mm～10mm的圆柱形小棒轧制试样2;(4)对轧制后的圆柱形小棒轧制试样2，通过两个轧辊1进行轴向轧制成板状轧制试样3，下压量ε为50%～80%;其中，ε=ΔH/H，H为圆柱形小棒轧制试样2的直径(mm)，ΔH为板状轧制试样3的厚度(mm);(5)对轧制处理后的金属板材进行真空再结晶退火，退火温度为600℃～800℃，退火时间为10～60min。梯度组织构筑结束后，金属板材内晶粒尺寸或显微硬度呈现梯度分布。
[0028]下面，结合附图对本发明的技术方案作具体的介绍和说明。
[0029]实施例
[0030]本实施例提供了一种金属板材梯度组织构筑方法，具体过程如下：
[0031](1)选取一种典型的TB9钛合金作为基材，其名义成分为
[0032]Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。
[0033](2)TB9钛合金原料经感应炉熔炼后，浇铸成直径为100mm、高度为200mm的铸锭。
[0034](3)车床机械去除铸锭表层氧化皮后，将TB9钛合金铸锭热锻成圆柱形锻材，锻材直径为20mm。
[0035](4)将锻材截断，每段长度为100mm。随后进行真空环境下固溶处理，加热温度为1000℃，保温时间30min，水淬处理至室温。
[0036](5)如图3所示，将固溶处理后的锻材进一步轧制至直径5mm，得到圆柱形TB9钛合金细棒。
[0037](6)如图4所示，将细棒进行轴向轧制为板状，下压量为60%，轧制工艺采用常温下轴向轧制，引入应变梯度。
[0038](7)如图5所示，将轴向轧制得到的板材进行真空再结晶退火，退火温度为705℃，保温时间为10min，随后水冷至室温。
[0039]如图6所示，金属板材梯度组织构筑结束后，TB9钛合金内部引入梯度晶组织，由外部的纳米晶逐渐过渡到内部再结晶的超细晶，超细晶尺寸在1～10μm。
[0040]实施例结果表明，本发明为高强、高韧和高疲劳性能金属材料制备与构件生产提供了一种途径，适用于TB9钛合金，同时也适用于其他金属及合金体系。
[0041]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
说明书附图(5)
声明：
“金属板材梯度组织构筑方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
509
编辑：北方有色网
来源：中国科学院金属研究所
咨询细节
