退火温度对超细晶工业纯钛组织和力学性能的影响

谷艳霞, 江静华, 马爱斌, 吴浩然

(1. 江苏海事职业技术学院, 江苏 南京 211100; 2. 河海大学 力学与材料学院, 江苏 南京 211100)

近年来,通过大塑性变形技术制备超细晶材料(Ultrafine-grain, UFG)得到了科研工作者的高度重视[1-2],超细晶工业纯钛(Commercial pure titanium, CP-Ti)已经实现了在航空航天、生物医药领域的商业应用。科学家采用不同的大塑性变形技术制备了超细晶工业纯钛,并对其微观组织和力学性能进行了研究[3]。研究表明,通过大塑性变形加工以后,工业纯钛产生的超细晶组织不仅可以提高其力学性能,也可以使其生物相容性和耐蚀性能得到提高[4-5]。等通道转角挤压(Equal channel angular pressing, ECAP)是一种使用非常广泛的大塑性变形方法,该方法是使坯料通过两个互成一定角度的等截面通道,通道夹角在60°～150°之间,坯料通过通道交角时,产生大的塑性变形,实现晶粒细化[6]。

经过大塑性变形后,在晶粒尺寸减小的同时,材料内部储能增加,使超细晶组织不稳定,并且超细晶材料的高强度以牺牲塑性为代价,这使超细晶材料在实际使用时受到限制。研究表明,对超细晶材料进行合适的短时退火,可以优化其强度和塑性,提高其组织稳定性[7]。但是,退火温度过高,会使晶粒明显长大,使力学性能下降。因此,选择合适的退火温度至关重要。大多数科学家在超细晶材料的加工方法、微观组织演变、力学性能方面开展了较多研究,而对于超细晶材料在后续退火过程中的组织、性能、稳定性等方面缺乏关注。Akbari等[8]研究表明,超细晶纯铜在190 ℃退火10 min后,抗拉强度提高了45 MPa。Zhao等[9]研究了超细晶工业纯铝在不同温度下退火30 min的组织演变和力学性能特征。而退火工艺对超细晶工业纯钛组织和性能的影响规律,目前还缺乏系统研究。本文研究了退火温度对超细晶工业纯钛组织和性能的影响,超细晶工业纯钛通过等通道转角加压进行制备,随后在300、400、500 ℃进行15 min的退火,并采用透射电镜对退火后的微观组织进行观察,对其室温力学性能进行测试。

1 试验材料与方法

选用TA2工业纯钛,其化学成分如表1所示。原始晶粒尺寸大约为10 μm,采用旋转模具对试样进行4道次ECAP加工。旋转模具及加工方法如图1所示。ECAP试样尺寸为20 mm×20 mm×45 mm,将试样放入通道,经过1道次挤压后,无需将试样从通道取出,将模具顺时针旋转90°,即可进行下一道次的加工。加工完4道次后,将试样从模具取出。把试样6个面去除2 mm,留下中间部位进行组织、力学性能及后续退火研究,性能测试及微观组织分析所有试样从纵切面选取。将ECAP加工后的试样在300、400、500 ℃退火15 min,随后空冷,并对退火后的微观组织和力学性能进行研究。各状态试样的具体工艺及其对应编号如表2所示。

图1 旋转模具ECAP加工示意图Fig.1 Schematic illustration of rotary-die ECAP processing

表1 TA2工业纯钛的化学成分(质量分数,%)

表2 具体工艺及其对应编号

微观组织观察在FEI Tecnai G T20型透射电镜上开展。从试样中间线切割1 mm的薄片,然后进行机械研磨,减薄至0.1 mm,之后冲出直径为φ3 mm的圆片,随后进行电解双喷,电解液为高氯酸和酒精混合液。

按照GB/T 228.1—2021《金属材料 室温拉伸试验 第1部分:试验方法》,室温拉伸试验在TF-50S拉伸试验机上进行。拉伸试验在室温下进行,试样测试部分尺寸为6 mm×2 mm×2 mm(长×宽×高),拉伸速率为1 mm/min,为了测量平均值,每种状态选取至少3个平行试样。

X射线衍射(XRD)测试前将试样用砂纸打磨,使用Bruker D8 Discover X射线衍射仪获得XRD图谱,采用CuKα射线,测量2θ角度为30°～80°。

2 试验结果与分析

2.1 退火温度对超细晶工业纯钛组织的影响

图2为经过ECAP加工4道次的超细晶工业纯钛经不同温度退火后的TEM微观组织。从图2(a)看出,经ECAP加工4道次后,晶内和晶界由于加工变形产生了大量位错,经统计得出晶粒尺寸约为450 nm。从图2(b)可以看出,经300 ℃退火15 min后,晶内的位错密度减少,晶粒尺寸没有明显增大,说明这种退火条件下晶粒还没来得及发生长大。从图2(c)可见,经400 ℃退火15 min后,晶内位错密度进一步降低,说明退火促进了晶内的位错向晶界运动,以及位错的对消、重排、湮灭,晶界更加明显清晰,少量晶粒尺寸略微增大。从图2(d)可见,经500 ℃退火15 min后,部分晶粒内部已基本没有位错,并且大部分晶粒发生了明显长大。

图2 超细晶工业纯钛经不同温度退火后的TEM图Fig.2 TEM images of the UFG-Ti annealed at different temperatures(a)未退火(unannealed); (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃

2.2 退火温度对超细晶工业纯钛力学性能的影响

图3为原始态(0P)、超细晶态(4P)及不同温度退火态工业纯钛的室温拉伸应力-应变曲线。表3列出了超细晶工业纯钛及其在不同温度下退火后的室温拉伸试验数据,从图3和表3可以看出,ECAP加工后的超细晶工业纯钛与原始态相比,强度得到了很大的提升,抗拉强度从450 MPa提高到了627 MPa,伸长率从48%下降到29%。超细晶工业纯钛经300 ℃退火15 min(A1)后,抗拉强度和屈服强度都得到提高,分别为663 MPa和561 MPa,伸长率保持为29%。经400 ℃退火15 min(A2)后,与超细晶态相比,强度得到提升,同时伸长率也提高到34%。超细晶工业纯钛经500 ℃退火15 min(A3)后,抗拉强度和屈服强度都有所下降。可见,超细晶工业纯钛在300～400 ℃退火15 min,强度得到提升,且具有良好塑性,可以获得较优的强度塑性匹配,随着退火温度提高,超细晶粒有所长大,导致强度逐渐下降。

图3 0P、4P工业纯钛及其在不同温度下退火后的室温工程应力-应变曲线Fig.3 Engineering stress-strain curves of the 0P, 4P CP-Ti and that annealed at different temperatures

表3 超细晶工业纯钛及其在不同温度下退火后的室温拉伸试验数据

超细晶工业纯钛经300～400 ℃退火15 min后,强度得到提高,即产生了退火强化现象。Akbari等[8]研究表明,超细晶纯铜经190 ℃退火10 min后,抗拉强度提高了45 MPa。Zhao等[9]将超细晶Al在60 ℃退火30 min,超细晶纯铝强度得到提高。Volkov等[10]指出,超细晶纯镁经150 ℃低温退火后强度得到提高。本文中工业纯钛产生的退火强化现象有可能是由于以下原因造成的:①低温短时退火后,晶粒尺寸未明显增大;②退火后基面织构增强,导致织构强化。图4为超细晶工业纯钛和其经300 ℃退火15 min后的X射线衍射图谱,由图4的X射线衍射图谱可知,经300 ℃退火15 min后,超细晶工业纯钛各晶面衍射峰的强度发生了不同程度的变化。为了评价晶粒的择优取向,采用织构系数(Texture coefficient,TC)对工业纯钛的织构演变进行分析。织构系数可通过下式进行计算[11-12]:

图4 不同工艺处理后工业纯钛试样的X射线衍射图谱Fig.4 X-ray diffraction patterns of the CP-Ti specimens treated by different processes

图5 不同工艺处理后工业纯钛试样的织构系数(TC)Fig.5 Texture coefficients of the CP-Ti specimens treated by different processes

表4 不同状态工业纯钛的织构系数(TC)数值

由此可见,超细晶工业纯钛在300～400 ℃温度下退火,可以在晶粒没有发生明显长大的情况下使超细晶工业纯钛强度进一步提高、且具有良好塑韧性。随着退火温度的升高,晶粒逐渐发生长大,导致其强度下降,断后伸长率提高。

3 结论

研究了退火温度对ECAP加工超细晶工业纯钛组织和性能的影响,对经退火后工业纯钛试样的微观组织、择优取向等组织结构特征进行了分析,对其室温拉伸性能等进行了系统研究,并探讨了超细晶工业纯钛低温短时退火强化的机制。研究得出如下结论:

1) ECAP加工4道次的超细晶工业纯钛在300 ℃退火15 min后,晶粒尺寸没有明显的变化;当退火温度升高到400 ℃退火15 min后,晶内位错密度减少,晶界更加明显清晰,少量晶粒尺寸略微增大。经500 ℃退火15 min后,大部分晶粒发生了明显长大。

2) 经不同温度退火后超细晶工业纯钛的力学性能研究结果表明,经300～400 ℃温度下进行15 min低温短时退火后,超细晶工业纯钛强度得到提高,且具有良好塑性。随着退火温度提高,晶粒尺寸增大,超细晶工业纯钛的强度逐渐下降。

3) 经低温短时退火后,超细晶工业纯钛产生了退火强化现象,可能是由于以下原因导致的,一方面退火后晶粒没有明显增大,另一方面退火后基面织构增强,产生了织构强化。