钛的静压挤压研究进展

钛的静压挤压研究进展

摘要：在本世纪初，人们已经证明了用静液挤压（HE）可以制备出纳米晶钛（NC-Ti），这是一种严重的塑性变形方法。用这种方法得到的NC-Ti具有优异的力学性能。2005年首次分析了氦对2级钛组织和力学性能的影响。本文综述了钛的HE研究进展。然而，钛合金的高温高压加工面临着摩擦学和技术挑战。用铝涂层对钛坯表面进行改性处理，可以消除这些缺陷。挤压成形中的另一个重要问题是钛晶粒细化所需的累积应变的最佳值。我们的结果表明，这个值必须超过3才能得到纳米晶钛。结果表明，他可以生产直径达10mm的数控钛棒。

介绍

静液压挤压（HE）发明于100多年前，1893年由jamesrobertson获得专利。然而，如文献所述，珀西·W·布里奇曼在上个世纪中叶进行了首次实验。在20世纪60年代和70年代，Avitzur和Pugh对这种方法的发展做出了重大贡献。挤压材料中还有钛及其合金。然而，在上个世纪末，这种技术的工业重要性开始下降。

本世纪初，华沙理工大学材料科学与工程学院和波兰科学院高压物理研究所的研究人员进行了第一次钛合金的HE实验，目的是应用严重塑性变形（SPD）并细化钛合金的晶粒尺寸纳米尺度。进一步表明，晶界强化可显著提高钛的硬度、屈服应力和抗拉强度。这些结果促使我们继续研究和开发钛合金的HE。自那时起，水挤压法被应用于纳米晶钛（NCTi）的制备。HE对Ti 2级微观结构和机械性能影响的研究首次结果于2005年发表。目前，尽管材料尺寸发生变化，但水挤压法通常被归类为SPD法，并被认为是Ti晶粒细化的一种方法。这种分类的原因是诱发SPD的能力和材料中晶粒细化的可能性。

纳米钛具有良好的力学性能，生物相容性好，重量轻，耐腐蚀性好，是一种极具吸引力和发展前景的材料。然而，在钛与模具材料的结合、数控钛的大面积开发等方面仍存在一些问题和挑战杆，以及挤压所需的高压。另一个需要解释和优化的重要问题是钛晶粒细化所需的累积应变值，尤其是在加工大量产品的情况下[10]。本文介绍了钛合金的HE研究进展。

材料、加工和调查方法

所研究的材料为工业纯2级钛（TiC质量为99.38%），呈棒状。该研究项目包括不同直径（12、20、33和50 mm）钢坯的液压挤压工艺。最终的NC-Ti产品的直径在3-10mm之间。钛合金的HE是一种多道次加工，通常在十道次挤压中逐渐减小棒材直径。挤压是在波兰科学院高压物理研究所进行的，在华沙理工大学材料科学与工程学院协调的一个项目框架内进行的。所有的挤出实验都是在室温下进行的。

通过透射电子显微镜（TEM Jeol 1200）对挤压样品的纳米结构进行了观察。利用日立2600N和日立TM-1000扫描电子显微镜（SEM，EDS）。所有拉伸试验均在室温下以相同的初始应变率e9=3.3910-4s-1进行。用200克试样的横截面维氏硬度测量方法。

静压挤压法的原理和描述

HE方法的原理如图1所示。介质（3）充满腔室（5）并包围坯料（1）。因此，当活塞（4）受到压缩时，活塞室内的静水压力增加。当压力足够高时，变形开始。坯料（1）和模具（6）之间的接触表面是一个强烈摩擦和粘合的区域。

液压挤压的特点是：（a）活塞和坯料之间没有直接接触；（b）坯料和室壁之间没有直接接触；以及（c）腔体内存在液体介质。因此摩擦力大大减小。与传统的挤压和其他变形技术相比，他确保了材料更好的变形性，这是由于施加的静水压力。水挤压产生均匀的三轴应力状态。它使裂纹的形成和扩展更加困难，从而显著提高了材料的塑性。

  

图1. 静水挤压（HE）方法的示意图

表面改性

钛挤压的基本技术问题和挑战是：

（a）钛与模具材料之间的粘附力（导致模具的高摩擦力和磨损），

（b）NC钛杆的表面粗糙度大（包括划痕），

（c）挤压所需的高压（这限制了在一次挤压过程中产生较大变形的挤压可能性）。

初步结果表明，用10lm铝涂层对钛表面进行改性，可以有效地消除这些问题。采用磁控溅射（MS）方法在钛棒表面覆盖铝涂层。本实验所依据的假设是基于具有非常好的可塑性和对基材附着力的涂层的概念。测试结果证实了这一假设的实现。与钛基涂层（HV0.01=342）的显微硬度结果相比，涂层的显微硬度要低得多（HV0.01=202）。使用划痕试验，未发现任何裂纹或剥落。铝涂层具有良好的塑性。扫描电子显微镜检查表明，铝涂层均匀且分布均匀（图2）。它们具有粘附特性，不包含扩散特性的金属间化合物Ti–Al过渡相[能量色散光谱（EDS）分析-图3]。

在挤压过程中，铝涂层和钛基体发生塑性变形。尽管存在应力，但铝涂层与钛基体保持良好的附着力，没有明显的裂纹或剥落。结果表明，该涂层对钛棒与模具的分离起到了良好的润滑作用。这减少了摩擦，并保护钛粘在模具上。此外，根据宏观观察，挤出涂层产品的表面粗糙度较低。另一个重要的优点是显著降低了挤压压力，从而可以增加施加在单个挤压道次中的应变，并在更大程度上减小杆径的情况下使钛变形。这是一个巨大的利润，允许减少生产数控钛所需的焊道数。图4显示了这种效果，图4显示了将钛棒直径（D）从Ø12减小到Ø3 mm需要5到11个挤压道次（各个点之间的图表碎片），而铝涂层的棒材只能在中压下的两个HE道次（Ø12–Ø6和Ø6–Ø3）中挤压。

 

图2. HE前在钛基体上形成的铝涂层（10 lm厚）的SEM图像

 

图3. 铝涂层（10 lm厚）及其钛基体在HE前的EDS分析

 

图4. 由于铝涂层的存在，挤压道次的减少。在连续挤压过程中，作为累积应变函数的最大压力（其中杆的直径D）

由于采用了铝涂层，钛在HE方面的优势和进展如下：

–模具的摩擦磨损减少，

–挤压杆的表面粗糙度降低，

–最大挤压压力（pmax）显著降低，允许在一次挤压过程中更大程度地减小杆直径，

–减少晶粒细化所需的挤压道次。

累积应变

钛的氢挤压是在几个道次中进行的，其中杆径逐渐减小。在每一道次过程中，塑性变形被诱导到材料中。将所有挤压道次的变形总和定义为累积应变，这是挤压过程的基本参数之一。可根据以下公式计算：

 

式中，dsi为杆的起始直径，dfi为杆的最终直径。

钛合金的HE可获得大范围的累积应变。我们的实验目的是通过寻找确保纳米结构钛形成的应变最小值来优化挤压工艺。研究连续焊道如何影响钛的组织和机械性能也很重要。对累积应变的优化将允许生产具有所需最佳机械性能的纳米钛，并可避免额外的成本。

这些试验包括14个挤压道次，杆径逐渐减小，达到累积应变e=4.60。

研究表明，累积应变是决定钛的强化和纳米结构形成的关键参数。我们可以看到，e=2.54挤压的钛的结构具有非常高密度的位错，这些位错形成细胞（图5）。然而，没有观察到纳米结构。只有少数纳米颗粒偶尔被观察到，所以评估平均值粒度是不可能的。另一方面，对于累积应变e C 3.22挤压的钛，其纳米结构如TEM图像和衍射图所示（图。6、7、8）。对于3.22到3.93之间的累积应变，晶粒尺寸在73-62nm之间。应变进一步增加到4.60时，纳米颗粒的尺寸不会改变[E（d2）=62nm-图8]。在较高应变下，晶粒细化过程缓慢，晶粒尺寸趋于某一极限值。

 

图5. 累积应变e=2.54挤压钛的TEM图像

 

图6. 累积应变e=3.22挤压钛的TEM图像

 

图7. 累积应变e=3.93挤压钛的TEM图像

 

图8. 累积应变e=4.60挤压钛的TEM图像

如果累积应变2.5不足以在钛中形成纳米晶结构，而3.2足够高，则作者假设当累积应变超过3.0时，水挤压可以保证钛中的纳米晶结构。在3.2到4.6范围内的累积应变不会改变纳米颗粒的平均尺寸，但会增加纳米颗粒的数量和它们在材料体积中的份额。应变3.2和4.6获得的NC-Ti晶粒度分布也相似（图。9，10）。我们很有可能预计，4.6以上的应变将不会产生进一步明显的改善，因此，在经济上是不合理的。

不同累积应变下的挤压使我们能够估计其对钛力学性能的影响。结果见表1。可以看出，随着应变的增加，材料逐渐增强。当材料中位错密度较低时，屈服应力（YS）、极限抗拉强度（UTS）和硬度（HV）的增加最大。当累积应变超过2.5时，材料的强化较弱或根本没有发生。在YS和硬度的情况下尤其如此。另一方面，UTS几乎呈线性增加（图11）。

关于YS、UTS和HV如何依赖于累积应变的知识允许根据当前需要设计材料。值得注意的是，累积应变为3.0的挤压材料的强度与钛合金相似。

文献的作者利用累积应变大于4.6，达到5.4，进行了钛挤压实验。对于应变5.4，他们获得的平均晶粒尺寸为47nm，材料的拉伸强度为1320兆帕。考虑到与应变为4.6的试样相比，拉伸强度仅提高了11%，因此可以认为，如此高的累积应变挤压效果较差。

 

图9. 累积应变挤压后试样的粒度分布3.22

 

图10. 累积应变挤压后试样的粒度分布4.60

表1. 钛的机械性能取决于累积应变

 

 

图11. YS、UTS和HV对累积应变的依赖性

 

数控钛体积

在生产纳米金属的一个基本挑战是获得足够大体积的最终材料。这对于开发用于医疗应用的NC-Ti也很重要。

在我们首次用HE精炼钛微观结构的实验中，我们获得了直径为3mm的棒状纳米钛。在接下来的几年里，我们试图生产出更大体积的纳米产品，并试图研究扩大钛的氢挤压的可能性。

随着纳米产品直径的增加，实验成功了。我们获得了直径更大的NC钛棒，如5、7和8 mm（图12）。最后，我们成功地生产了一个直径为10毫米的数控钛棒（图13）。材料在长度和直径上非常均匀。所有的NC-Ti棒在100nm以下具有相似的晶粒尺寸（表2）。这些杆的典型长度约为250–300 mm。

我们的实验结果表明，通过累积超过3.0的应变，可以将其结构细化到纳米级，而与坯料或产品直径无关。直径较大的产品可以通过增加钢坯直径而产生的。这为扩大钛的氢挤压工艺提供了可能性。唯一的限制是结构和安装的可能性。

 

图12. 直径为5毫米的棒状纳米晶钛

 

图13. 直径为10毫米的棒状纳米晶钛

表2. 纳米晶粒平均尺寸E（d2）和最终块体NC-Ti的力学性能

 

体积增大的产品具有非常好的机械性能，类似于我们先前实验中获得的NC-Ti（表2）。值得注意的是，与许多典型钛合金相比，我们实验中获得的NC-Ti的机械性能相似或优于。

结论

经过近10年的实验和研究，用氦加工数控钛取得了重大进展。成功地发展和优化了钛合金的HE法。

用铝涂层对钛表面进行改性，改善了水挤压过程的摩擦学条件。它可以减少模具的摩擦磨损和粘着磨损以及产品表面的粗糙度。产品的成形精度也提高了。由于铝涂层的存在，可以降低挤压压力，使一道次施加的应变增加，从而在加工NC-Ti时减少挤压道次。

为了在室温下用HE法获得NC-Ti，累积应变应超过3.0。无论钢坯直径如何，此要求均有效。我们的实验表明，可以生产直径为3到10 mm的棒形数控钛。因此，确定了扩大HE法的可能性。

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