一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法.pdf

本发明提供了一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，包括以下步骤：一、对TLM钛合金板进行均匀化退火处理；二、进行表面处理；三、进行冷轧，得到箔坯；四、进行去应力退火处理；五、依次进行剪切、酸洗、水洗和干燥处理，然后进行包套叠轧，直至轧制的累计变形量为60％～70％为止；六、检测包套叠轧后的箔坯的晶粒尺寸，若箔坯的平均晶粒尺寸为100nm～1μm，则得到具有超细晶组织的TLM钛合金箔材，否则，返回步骤五。本发明特别适用于工业化制备超细晶箔材，生产工序简单，对板材尺寸及材料的局限性较小，易于控制箔材的晶粒和质量。对多层箔材进行反复累积叠轧，可以获得具有超高性能的超细晶箔材。

1.  一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对TLM钛合金板进行均匀化退火处理；
步骤二、对步骤一中均匀化退火处理后的TLM钛合金板进行表面处理；所述表面处理的具体过程为：首先对TLM钛合金板进行超声波清洗，再采用喷砂的方法除去板材表面的氧化层并将板材表面打毛，然后进行酸洗处理，之后用流水冲洗干净后烘干；
步骤三、采用二辊轧机或四辊轧机对步骤二中表面处理后的TLM钛合金板进行冷轧，得到厚度为0.2mm的箔坯；所述冷轧的累计变形量为60％～80％；
步骤四、将步骤三中所述箔坯置于真空退火炉中，在温度为623K～673K的条件下保温15min～20min进行去应力退火处理；
步骤五、将步骤四中去应力退火处理后的箔坯依次进行剪切、酸洗、水洗和干燥处理，然后将多层干燥处理后的箔坯叠放整齐后放入包套中，采用二辊轧机或四辊轧机进行包套叠轧，直至轧制的累计变形量为60％～70％为止；包套叠轧过程中对箔坯进行中间退火处理，具体过程为：当轧制的累计变形量为30％～40％时，将箔坯置于真空退火炉中，在温度为623K～673K的条件下保温15min～20min；
步骤六、检测步骤五中包套叠轧后的箔坯的晶粒尺寸，若箔坯的晶粒尺寸为100nm～1μm，则得到具有超细晶组织的TLM钛合金箔材，否则，返回步骤五。

2.  根据权利要求1所述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述均匀化退火处理的具体过程为：将TLM钛合金板置于真空退火炉中，在温度为923K～1023K的条件下保温20min～40min。

3.  根据权利要求1所述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TLM钛合金板的平均晶粒尺寸为20μm～100μm。

4.  根据权利要求1所述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述喷砂的砂粒度为80目或100目，所述喷砂的压强为0.4MPa～0.8MPa。

5.  根据权利要求1所述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述冷轧的道次加工率不大于30％。

6.  根据权利要求1所述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤五中所述酸洗所采用的酸洗液均为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由质量百分比浓度为40％以上的氢氟酸、质量百分比浓度为60％以上的硝酸与去离子水按质量比1∶(4～5)∶(3～4)混合均匀而成。

7.  根据权利要求1所述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤五中所述包套叠轧的轧制速率为10m/s～20m/s，轧制的道次变形量不大于30％，包套的材质为304不锈钢。

8.  根据权利要求1所述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤五中多层所述箔坯进行叠放时，相邻两层箔坯之间均涂布固体润滑剂MoS₂进行润滑和隔离。

9.  根据权利要求1所述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的 制备方法，其特征在于，步骤五中多层所述箔坯进行叠放时，相邻两层箔坯之间均采用夹层材料进行隔离，所述夹层材料为厚度不大于5μm的铜箔材。

一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法
技术领域
本发明属于钛及钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法。
背景技术
细化晶粒是提高材料综合力学性能的重要途径，当钛材的晶粒尺寸减小到超细晶(100nm～1μm)时，室温下材料的性能将会发生一系列巨大而有益的提高。具有超细晶组织的钛及钛合金箔材是一类具有优良综合物理性能和力学性能的结构或功能材料，尤其是室温下具有高强度和高温下具有的超塑性，非常适用于国防、军工及民用等高科技领域。尤其是在高强低模量箔材、精密复合箔材、塑性微成型用箔材、超弹仪表用箔材、生物医用材料等领域发展迅速。
目前，国内外大多采用剧烈塑性变形方法直接进行材料的细化，使之材料晶粒度达到超细晶组织。主要的剧烈塑性变形方法有等通道角挤压法(ECAP)、高压旋转(HPT)、高压扭转法、反复折皱-压直法、累积轧合法、多次锻造法以及循环挤压法等。但这些方法由于模具的限制，或者设备的限制(剧烈塑性变形可能损害轧机的表面)，均无法实现超细晶钛及钛合金箔材的连续化生产。或者由于生产成本高及常规工业化设备的生产能力达不到剧烈塑性变形的要求。
70年代金属箔材的生产方法有电解镀层法、真空蒸镀法、粉末轧制法、车削法和轧制法等，但大量生产优质箔材主要靠轧制法，目前世界上用普通轧制法生产的钛粗晶箔材最薄至0.008mm，一般均采用二十辊、三十六辊生产。采用四辊、二辊只能轧制较软的金属，如铝和铝合金箔、铅箔、锡箔等，却无法轧制出高精度、高光洁度的钛合金箔材。对于超细晶TLM 钛合金薄箔材的制备，目前采用二辊轧机或四辊轧机还无法实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法。该方法利用现有常规设备二辊轧机或四辊轧机进行生产，特别适用于工业化制备超细晶箔材，生产工序简单，对板材尺寸及材料的局限性较小，易于控制箔材的晶粒和质量。对多层箔材进行反复累积叠轧，可以获得具有独特性能的超细晶箔材。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对TLM钛合金板进行均匀化退火处理；
步骤二、对步骤一中均匀化退火处理后的TLM钛合金板进行表面处理；所述表面处理的具体过程为：首先对TLM钛合金板进行超声波清洗，再采用喷砂的方法除去板材表面的氧化层并将板材表面打毛，然后进行酸洗处理，之后用流水冲洗干净后烘干；
步骤三、采用二辊轧机或四辊轧机对步骤二中表面处理后的TLM钛合金板进行冷轧，得到厚度为0.2mm的箔坯；所述冷轧的累计变形量为60％～80％；
步骤四、将步骤三中所述箔坯置于真空退火炉中，在温度为623K～673K的条件下保温15min～20min进行去应力退火处理；
步骤五、将步骤四中去应力退火处理后的箔坯依次进行剪切、酸洗、水洗和干燥处理，然后将多层干燥处理后的箔坯叠放整齐后放入包套中，采用二辊轧机或四辊轧机进行包套叠轧，直至轧制的累计变形量为60％～70％为止；包套叠轧过程中对箔坯进行中间退火处理，具体过程为：当轧制的累计变形量为30％～40％时，将箔坯置于真空退火炉中，在温度为623K～673K的条件下保温15min～20min；
步骤六、检测步骤五中包套叠轧后的箔坯的晶粒尺寸，若箔坯的晶粒 尺寸为100nm～1μm，则得到具有超细晶组织的TLM钛合金箔材，否则，返回步骤五。
上述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述均匀化退火处理的具体过程为：将TLM钛合金板置于真空退火炉中，在温度为923K～1023K的条件下保温20min～40min。
上述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TLM钛合金板的平均晶粒尺寸为20μm～100μm。
上述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述喷砂的砂粒度为80目或100目，所述喷砂的压强为0.4MPa～0.8MPa。
上述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述冷轧的道次加工率不大于30％。
上述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤五中所述酸洗所采用的酸洗液均为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由质量百分比浓度为40％以上的氢氟酸、质量百分比浓度为60％以上的硝酸与去离子水按质量比1∶(4～5)∶(3～4)混合均匀而成。
上述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤五中所述包套叠轧的轧制速率为10m/s～20m/s，轧制的道次变形量不大于30％，包套的材质为304不锈钢。
上述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤五中多层所述箔坯进行叠放时，相邻两层箔坯之间均涂布固体润滑剂MoS₂进行润滑和隔离。
上述的一种具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法，其特征在于，步骤五中多层所述箔坯进行叠放时，相邻两层箔坯之间均采用夹层材料进行隔离，所述夹层材料为厚度不大于5μm的铜箔材。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用现有常规设备二辊轧机或四辊轧机进行生产，提高生产效率，利用多次较小的变形量，通过反复的变形，实现箔材的大变形，也可实现难变形材料的超细晶制备，通过改变个别工艺参数也可适用于超细晶Al、Mg等轻金属及其合金箔材的制备。
2、本发明特别适用于工业化制备超细晶箔材，生产工序简单，对板材尺寸及材料的局限性较小，易于控制箔材的晶粒和质量。对多层箔材进行反复累积叠轧，可以获得具有独特性能的超细晶箔材。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1TLM钛合金板的金相显微组织照片。
图2为本发明实施例1TLM钛合金板冷轧至累计变形量为50％时的SEM组织照片。
图3为本发明实施例1TLM钛合金板冷轧至累计变形量为80％时的SEM组织照片。
图4为本发明实施例1制备的具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的TEM微观组织照片。
图5为本发明实施例3TLM钛合金板的金相显微组织照片。
图6为本发明实施例3制备的具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的TEM微观组织照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对TLM钛合金板进行均匀化退火处理，所述均匀化退火处理的具体过程为：将TLM钛合金板置于真空退火炉中，在温度为1023K 的条件下保温30min；所述TLM钛合金板的厚度为1mm，平均晶粒尺寸为20μm(其金相显微组织照片如图1所示)；
步骤二、对步骤一中均匀化退火处理后的TLM钛合金板进行表面处理，具体过程为：首先对TLM钛合金板进行超声波清洗，再采用喷砂的方法除去板材表面的氧化层并将板材表面打毛，然后进行酸洗处理，之后用流水冲洗干净后烘干；所述喷砂的砂粒度为80目，所述喷砂的压强为0.4MPa；酸洗所采用的酸洗液为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由质量百分比浓度为47％的氢氟酸、质量百分比浓度为67％的硝酸与去离子水按质量比1∶4∶3混合均匀而成；
步骤三、采用二辊轧机对步骤二中表面处理后的TLM钛合金板进行冷轧，道次变形量分别为：30％，18％，13％，13％，12％，12％，12％，10％，10％，10％，7％，累计变形量为80％，得到厚度为0.2mm的箔坯；
在冷轧的累计变形量为50％时(即第三道次轧制完成后)，采用SEM电镜观察晶粒及组织(其SEM组织照片如图2所示)，由图2可知该晶粒并未完全破碎；
在冷轧完成后，采用SEM电镜观察晶粒及组织(其SEM组织照片如图3所示)，由图3可知大量晶粒已基本发生破碎；
步骤四、将步骤三中所述箔坯置于真空退火炉中，在温度为673K的条件下保温20min进行去应力退火处理；
步骤五、将步骤四中去应力退火处理后的箔坯依次进行剪切、酸洗、水洗和干燥处理，然后将8层干燥处理后的箔坯叠放整齐后放入包套中，采用二辊轧机进行包套叠轧，包套叠轧的轧制速率为20m/s，包套的材质为304不锈钢，道次变形量分别为：30％，20％，18％，15％，15％，12％，轧制的累计变形量为70％，得到厚度为0.06mm的箔坯；包套叠轧过程中对箔坯进行中间退火处理，具体过程为：当轧制的累计变形量为30％时，将箔坯置于真空退火炉中，在温度为673K的条件下保温20min；酸洗所采用的酸洗液为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由 质量百分比浓度为47％的氢氟酸、质量百分比浓度为67％的硝酸与去离子水按质量比1∶5∶4混合均匀而成；对多层箔坯进行叠放时，在相邻两层箔坯之间均涂布固体润滑剂MoS₂进行润滑和隔离；
步骤六、检测步骤五中厚度为0.06mm的箔坯的晶粒尺寸，测得箔坯的平均晶粒尺寸为1μm(其TEM微观组织照片如图4所示)，得到具有超细晶组织的TLM钛合金箔材。
本实施例利用现有常规设备二辊轧机进行生产，特别适用于工业化制备超细晶箔材，生产工序简单，对板材尺寸及材料的局限性较小，易于控制箔材的晶粒和质量。对多层箔材进行反复累积叠轧，可以获得具有独特性能的超细晶箔材。
实施例2
本实施例具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对TLM钛合金板进行均匀化退火处理，所述均匀化退火处理的具体过程为：将TLM钛合金板置于真空退火炉中，在温度为1023K的条件下保温30min；所述TLM钛合金板的厚度为1mm，平均晶粒尺寸为100μm；
步骤二、对步骤一中均匀化退火处理后的TLM钛合金板进行表面处理，具体过程为：首先对TLM钛合金板进行超声波清洗，再采用喷砂的方法除去板材表面的氧化层并将板材表面打毛，然后进行酸洗处理，之后用流水冲洗干净后烘干；所述喷砂的砂粒度为80目，所述喷砂的压强为0.8MPa；酸洗所采用的酸洗液为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由质量百分比浓度为45％的氢氟酸、质量百分比浓度为60％的硝酸与去离子水按质量比1∶4∶3混合均匀而成；
步骤三、采用四辊轧机对步骤二中表面处理后的TLM钛合金板进行冷轧，道次变形量分别为：30％，20％，18％，15％，12％，10％，9％，9％，9％，7％，7％，累计变形量为80％，得到厚度为0.2mm的箔坯；
步骤四、将步骤三中所述箔坯置于真空退火炉中，在温度为673K的条件下保温20min进行去应力退火处理；
步骤五、将步骤四中去应力退火处理后的箔坯依次进行剪切、酸洗、水洗和干燥处理，然后将10层干燥处理后的箔坯叠放整齐后放入包套中，采用四辊轧机进行包套叠轧，包套叠轧的轧制速率为20m/s，包套的材质为304不锈钢，道次变形量分别为：30％，20％，18％，15％，15％，12％，轧制的累计变形量为70％，得到厚度为0.06mm的箔坯；包套叠轧过程中对箔坯进行中间退火处理，具体过程为：当轧制的累计变形量为30％时，将箔坯置于真空退火炉中，在温度为673K的条件下保温20min；酸洗所采用的酸洗液为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由质量百分比浓度为45％的氢氟酸、质量百分比浓度为60％的硝酸与去离子水按质量比1∶5∶4混合均匀而成；对多层箔坯进行叠放时，在相邻两层箔坯之间均采用夹层材料进行隔离，所述夹层材料为铜箔材，所述夹层材料的厚度不大于5μm；
步骤六、检测步骤五中包套叠轧后的箔坯的晶粒尺寸，测得箔坯的平均晶粒尺寸为5μm，则返回步骤五，将箔坯重新进行剪切、酸洗、水洗、干燥和包套叠轧工序，得到厚度为0.018mm的箔坯，然后重新检测该箔坯的晶粒尺寸，测得箔坯的平均晶粒尺寸为200nm，得到具有超细晶组织的TLM钛合金箔材。
本实施例利用现有常规设备四辊轧机进行生产，特别适用于工业化制备超细晶箔材，生产工序简单，对板材尺寸及材料的局限性较小，易于控制箔材的晶粒和质量。对多层箔材进行反复累积叠轧，可以获得具有独特性能的超细晶箔材。
实施例3
本实施例具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对TLM钛合金板进行均匀化退火处理，所述均匀化退火处 理的具体过程为：将TLM钛合金板置于真空退火炉中，在温度为923K的条件下保温20min；所述TLM钛合金板的厚度为0.5mm，平均晶粒尺寸为100μm(其金相显微组织照片如图5所示)；
步骤二、对步骤一中均匀化退火处理后的TLM钛合金板进行表面处理，具体过程为：首先对TLM钛合金板进行超声波清洗，再采用喷砂的方法除去板材表面的氧化层并将板材表面打毛，然后进行酸洗处理，之后用流水冲洗干净后烘干；所述喷砂的砂粒度为100目，所述喷砂的压强为0.6MPa；酸洗所采用的酸洗液为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由质量百分比浓度为45％的氢氟酸、质量百分比浓度为66％的硝酸与去离子水按质量比1∶5∶3混合均匀而成；
步骤三、采用四辊轧机对步骤二中表面处理后的TLM钛合金板进行冷轧，道次变形量分别为：30％，18％，16％，15％，得到厚度为0.2mm的箔坯；所述冷轧的累计变形量为60％；
步骤四、将步骤三中所述箔坯置于真空退火炉中，在温度为623K的条件下保温15min进行去应力退火处理；
步骤五、将步骤四中去应力退火处理后的箔坯依次进行剪切、酸洗、水洗和干燥处理，然后将8层干燥处理后的箔坯叠放整齐后放入包套中，采用四辊轧机进行包套叠轧，包套叠轧的轧制速率为10m/s，包套的材质为304不锈钢，轧制的道次变形量分别为：30％，20％，18％，15％，轧制的累计变形量为60％，得到厚度为0.08mm的箔坯；包套叠轧过程中对箔坯进行中间退火处理，具体过程为：当轧制的累计变形量为30％时，将箔坯置于真空退火炉中，在温度为623K的条件下保温20min；酸洗所采用的酸洗液为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由质量百分比浓度为45％的氢氟酸、质量百分比浓度为66％的硝酸与去离子水按质量比1∶5∶4混合均匀而成；对多层箔坯进行叠放时，在相邻两层箔坯之间均采用夹层材料进行隔离，所述夹层材料为铜箔材，所述夹层材料的厚度不大于5μm；
步骤六、检测步骤五中厚度箔坯的晶粒尺寸，测得箔坯的平均晶粒尺寸为3μm，则返回步骤五，将箔坯重新进行剪切、酸洗、水洗、干燥和包套叠轧工序，得到厚度为0.032mm的箔坯，然后重新检测该箔坯的晶粒尺寸，测得箔坯的平均晶粒尺寸为100nm(其TEM微观组织照片如图6所示)，得到具有超细晶组织的TLM钛合金箔材。
本实施例利用现有常规设备四辊轧机进行生产，特别适用于工业化制备超细晶箔材，生产工序简单，对板材尺寸及材料的局限性较小，易于控制箔材的晶粒和质量。对多层箔材进行反复累积叠轧，可以获得具有独特性能的超细晶箔材。
实施例4
本实施例具有超细晶组织的TLM钛合金箔材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、对TLM钛合金板进行均匀化退火处理，所述均匀化退火处理的具体过程为：将TLM钛合金板置于真空退火炉中，在温度为953K的条件下保温20min；所述TLM钛合金板的厚度为0.6mm，平均晶粒尺寸为60μm；
步骤二、对步骤一中均匀化退火处理后的TLM钛合金板进行表面处理，具体过程为：首先对TLM钛合金板进行超声波清洗，再采用喷砂的方法除去板材表面的氧化层并将板材表面打毛，然后进行酸洗处理，之后用流水冲洗干净后烘干；所述喷砂的砂粒度为100目，所述喷砂的压强为0.8MPa；酸洗所采用的酸洗液为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为60％的硝酸与去离子水按质量比1∶5∶3混合均匀而成；
步骤三、采用二辊轧机对步骤二中表面处理后的TLM钛合金板进行冷轧，道次变形量分别为：30％，18％，15％，15％，12％，8％，得到厚度为0.2mm的箔坯；所述冷轧的累计变形量为66％；
步骤四、将步骤三中所述箔坯置于真空退火炉中，在温度为623K的 条件下保温15min进行去应力退火处理；
步骤五、将步骤四中去应力退火处理后的箔坯依次进行剪切、酸洗、水洗和干燥处理，然后将16层干燥处理后的箔坯叠放整齐后放入包套中，采用二辊轧机进行包套叠轧，包套叠轧的轧制速率为10m/s，轧制的道次变形量分别为：25％，20％，18％，15％，10％，10％，包套的材质为304不锈钢，轧制的累计变形量为66％，得到厚度为0.065mm的箔坯；包套叠轧过程中对箔坯进行中间退火处理，具体过程为：当轧制的累计变形量为40％时，将箔坯置于真空退火炉中，在温度为623K的条件下保温20min；酸洗所采用的酸洗液为氢氟酸-硝酸复合酸洗液，所述氢氟酸-硝酸复合酸洗液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为60％的硝酸与去离子水按质量比1∶5∶4混合均匀而成；对多层箔坯进行叠放时，在相邻两层箔坯之间均涂布固体润滑剂MoS₂进行润滑和隔离；
步骤六、检测步骤五中厚度箔坯的晶粒尺寸，测得箔坯的平均晶粒尺寸为2μm，则返回步骤五，将箔坯重新进行剪切、酸洗、水洗、干燥和包套叠轧工序，得到厚度为0.022mm的箔坯，然后重新检测该箔坯的晶粒尺寸，测得箔坯的平均晶粒尺寸为100nm，得到具有超细晶组织的TLM钛合金箔材。
本实施例利用现有常规设备二辊轧机进行生产，特别适用于工业化制备超细晶箔材，生产工序简单，对板材尺寸及材料的局限性较小，易于控制箔材的晶粒和质量。对多层箔材进行反复累积叠轧，可以获得具有独特性能的超细晶箔材。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。