纳米结晶钛合金及其制造方法技术

本发明专利技术提供高强度并具备良好的加工性、适合于以汽车为代表的各种结构用材料的Ti合金及其制造方法。将以α’马氏体相作为组织的合金在出现动态再结晶的条件下进行热加工。加工条件为以升温速度50～800℃/秒进行加热，在700～800℃的温度下应变速度为0.01～10/秒，在超过800℃且低于1000℃的温度下为0.1～10/秒的应变速度，使应变为0.5以上。由此，获得平均晶粒直径小于1000nm的等轴晶。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及高强度Ti合金及其制造方法，特别是，涉及通过热加工而具有纳米结晶的拥有高强度且良好加工性的Ti合金及其制造方法。
技术介绍
以往，在作为汽车用部件所使用的Ti合金中，需要高强度的悬簧、发动机用阀簧和两轮车用悬簧中主要使用了冷加工性优异、并可通过热处理较为简单地获得高强度的一般被分类为β型的β型Ti合金。然而，β型Ti合金通常是将在高温下稳定的β相通过固溶处理而变成在室温为亚稳定的物质，从而需要大量含有作为昂贵元素的V、Mo和Cr 等β稳定化元素。因此，对低廉材料且具有同等强度的Ti合金部件的需求逐渐提高。此外，β型Ti合金通过α相析出时效处理等热处理来提高强度，但对于机构部件，实用上疲劳强度是重要的。然而，β型Ti合金的破坏通过由析出的α相粒内或α相与β相的边界产生裂纹而发生，认为裂纹的发生均是由于α相与β相的弹性应变差等的原因。因此，在β型Ti合金这样的通过利用时效处理从β基体相析出α相而强化的结构中，即使静态强度优异，疲劳强度的提高也有限度。基于这样的情况，从成本、强度方面考虑，要求在汽车部件中应用昂贵的β相稳定化元素量少、且易于变形、强度低的β相少的近α型、α + β型Ti合金。另一方面，如例如专利文献1中公开的那样，对于被分类为代表性的α + β型的 Ti - 6Α1 - 4V(质量％)合金，其强度、延展性和韧性等机械性质的平衡良好，因此具有占全部Ti合金生产量的约70%这样高的普及率。由此，Ti - 6Α1 - 4V合金具有价格低廉，成分、原材料强度的偏差少等的优点。这样的Ti - 6Α1 - 4V合金的机械性质主要取决于组织的形态，根据为等轴晶组织、针状(acicular)组织或为它们的混合(bimodal)组织，特性、强度受到影响。一般而言， 等轴晶组织的强度、伸长率、疲劳裂纹的发生抗力性和塑性加工性优异。针状晶组织的蠕变抗力性、破坏韧性和对裂纹传播的抗力性优异。此外，混合组织具有各个组织的长处。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特许第3789852号公报。
技术实现思路
专利技术要解决的课题以往的Ti 一 6A1 — 4V合金利用加工进行的组织控制主要通过在β或α + β 二相稳定温度区域的热加工来进行。在该情况下，作为热加工前的起始组织，使用了等轴晶α + β相、针状晶α + β相的组织。本专利技术人等认为，为了获得加工成部件形状的加工性优异并兼备高强度的原材料，晶粒的微细化是有效的，将等轴晶α + β相、针状晶α + β相的组织作为起始组织，尝试了各种加工热处理，但即使α晶粒直径小，也会形成微米级或与粗大晶粒混合而成为不均勻的组织，而且不限于形成等轴晶，从而不能期待加工成部件形状的加工性及其机械特性。本专利技术的目的是提供Ti合金及其制造方法，该Ti合金通过大幅提高廉价且普及率高的Ti - 6A1 - 4V系一般标准组成合金、或被分类为近α型或α + β型的组织的Ti 合金的加工性、强度和韧性，从而适合作为代替以汽车用部件为代表的结构部件的β型Ti 合金的材料。并且，β型Ti合金是指具有下述组成的合金，所述组成是被分类为可以在室温下形成亚稳定的β相后进行时效硬化的Ti合金的组成。用于解决课题的方法
本专利技术人等研究了如下内容不为β型Ti合金组成，通过固溶处理后的常规冷却不是形成室温下为单相的β相，而是形成α相率多的被分类为近α型或α + β型的低廉Ti 合金组成。而且发现一种Ti合金，其通过使难以成型加工成部件的α相从晶粒直径为微米级的以往组织形成纳米级的微细等轴晶组织，从而加工成部件的加工性和韧性优异，另外通过尽量减少β相，从而可以期待高强度和高疲劳强度。进一步地，实现了以到目前为止未被利用过的α ’马氏体作为起始组织的Ti合金的纳米晶粒组织的形成和均勻化，从而完成了本专利技术。Ti合金的缺口敏感性高，一旦产生裂纹，裂纹传播速度就会比钢材还快。因此，本专利技术人等认为除了由晶粒微细化导致的强度提高以外，而且通过使等轴晶为主要组织，对于初期裂纹生成的抗力性得到提高，本专利技术人等想到了如果通过加工而生成均勻且微细的等轴晶，则强度和韧性会提高，可以期待疲劳强度的改善。进一步地，得出以下结论如果在热加工中发生动态再结晶，在受到应变0. 5以上的变形的区域生成80%以上的等轴晶，由此形成位错密度非常低的微细等轴晶组织，则对于加工的抗力性降低，加工成部件形状的加工性提高。如果在固溶处理后淬火Ti合金，则生成α ’马氏体晶，其为在固溶淬火过程中以无扩散相变形成的结晶相，没有发现β相直至室温而直接残留的β型Ti合金。α，马氏体晶为针状，晶体结构与平衡α晶同样地为密排六方晶(稠密六方晶)结构，但与平衡 α晶的不同之处可列举通过骤冷而形成热不稳定的结晶相，针状组织中具有大量的缺陷 (α，(10-11)双晶、α，(0001)上的叠层缺陷或位错等)等。并且，“一1”表示在1上带有横杠(一)。段落0018的说明中也是同样的。因此，本专利技术人等认为，这样的叠层缺陷或位错的聚集处在能量上不稳定，容易作为α的再结晶核生成部位起作用，因此与α + β相相比，成为核生成部位的位置大量地存在，如果将该组织作为起始组织进行热加工，则均勻且微细的纳米级的等轴晶易于大范围生成。S卩，本专利技术的Ti合金的制造方法的特征在于，对于作为热加工的起始组织的、主要由通过从β转变温度进行骤冷而生成的α ’马氏体相构成的材料，进行出现动态再结晶的加工。这里，出现动态再结晶的加工具体是指进行如下加工以升温速度50 800°C / 秒进行加热，在700 800°C的温度范围以应变速度为0. 01 10/秒的速度使应变为0. 5 以上。或者进行如下加工在超过800°C且低于1000°C的温度范围以0. 1 10/秒的应变速度使应变为0. 5以上。作为热加工法，采用冲压加工或挤出加工等、在加工时出现动态再结晶的加工方法。进一步地，在热加工后，以20°C /秒以上的速度进行冷却，以避免动态再结晶中生成的纳米级的晶粒粗大化。如上所述制造的Ti合金为一般被分类为近α型和/或α + β型Ti合金的配合组成，包含均勻地分散有平均晶粒直径小于IOOOnm的等轴晶的组织。并且，可使用加速电压为20kV的SEM/EBSD法以50000倍观察辨别的最小晶粒直径为98nm，因此本专利技术中的晶粒直径的最小值实质上为98nm。这里，α + β型Ti合金是根据通常的铸造等的冷却速度而在常温下β相以面积比率计为10 50%的Ti合金，近α型Ti合金为包含1 2 质量％&V、Cr、M0等β相稳定化元素的Ti合金，其是根据相同冷却速度而在常温下的β 相以面积比率计为超过0%且小于10%的Ti合金。然而，以将它们骤冷并在几乎整个区域 (利用X射线衍射法检测不到β相的水平)形成α ’马氏体组织的材料作为起始材料进行热加工后而得的本专利技术中，期望β相的面积比率为1.0%以下。其理由是，如果β相的面积比率超过1.0%，则在α相与β相的界面发生破坏的可能性提高，引起疲劳强度的降低。 并且，β相在常温超过50面积％、不引起马氏体相变的情况为β型合金。对于上述这样的结晶，由利用EBSD法的GOS图也可知，是在结晶内部几乎没有导入位错的微细且均勻的组织，可以期待与以往的Ti合金相比、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：李尚学，小野芳树，井海和也，松本洋明，千叶晶彦，
申请(专利权)人：日本发条株式会社，国立大学法人东北大学，
类型：发明
国别省市：