梯度功能钛合金带材及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及铁合金带材及制备方法，特别设及一种弹性模量梯度分布的铁合金带 材的制备方法，W及设及采用该方法制得的一种梯度功能TC4铁合金带材。
【背景技术】
[0002] 随着世界性的能源危机和环境污染问题日趋严重，为了降低能耗和减少机动机械 尾气排放造成的环境污染，在航空、航天、汽车和生物医用等领域，结构轻量化所带来的效 益十分显著，包括可W提高机动工具的机动性，减少油耗，降低了对运送工具的要求和运送 的费用。汽车、商（军）用飞行器是量大而广的交通工具，材料结构微小的改进，就会产生 显著的经济效益。传统的结构材料（钢铁、侣等）在国民经济中面临节能、降耗、减排和环 保的严峻形势。在该种情况下，应用和开发轻质结构材料铁合金，已成为近几年国内外研究 和发展的热点和重点。
[0003] 铁合金是一种重要的轻质结构材料，尤其是铁合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性 强、可焊、中温性能好和无磁等优点，使之在航空、航天、船舰、兵器、核能、交通运输产业、军 事和电子、信息产业和生物医用等领域有着广泛的应用。因此金属铁合金被誉为"21世纪 最重要的绿色工程材料"和"21世纪最重要的生物医用金属材料"。
[0004] 近年来，TC4铁合金作为最重要的王牌商业铁合金之一得到飞速的发展和广泛的 应用，但TC4铁合金单一的力学性能和较大的弹性模量在很大程度上限制了变形铁合金在 航空发动机和医用植入物等方面的进一步应用。对TC4铁合金进行适当的变形和后续热处 理（如高温相变热处理），可大幅度降低其弹性模量；采用分段热处理然后将不同组织和性 能的材料进行后续焊接处理（如揽拌摩擦焊接），可实现制备梯度功能铁合金材料，而该种 低弹性模量、更多样化梯度力学性能的梯度功能TC4铁合金应具有更广泛的市场应用前景 和更广阔的发展空间。
[0005] 一般的两相TC4铁合金经过低温去应力退火后冷却至室温的组织由a -Ti准单相 等轴组织组成，其中少量转变e-Ti W块状形式存在于晶界和晶粒交叉处，在晶团内部拥 有细小的次生a-Ti相。转变贝塔相、初生等轴阿尔法相和次生阿尔法相的尺寸由具体的 材料成分、热处理（加工）工艺、冷却工艺和冷却介质等因素有关。有研究报道，Ti-Al-V系 列铁合金变形后再经过低温去应力退火热处理可使材料转变为W等轴阿尔法相为基体，同 时在少量的残留贝塔相中W细小层片状或者等轴状的形式均匀、弥散分布于晶界和晶内， 从而降低其弹性模量。尽管如此，TC4铁合金经过上述处理后，仍然有大量粗大的等轴状a 相W及抱团的转变0相晶块。拥有该种组织的TC4铁合金在后续变形或者在承受外部载 荷的过程中，晶界处粗大的等轴状a-Ti和成团的转变0晶块处容易阻碍弹性变形的发 生，形成应力阻滞现象，容易造成材料的弹性模量过大，由此产生材料过早的失效或者与人 体软（硬）组织力学相容性不好的问题，因此a-Ti和e-Ti的数量、分布和形貌特征严重 影响了 TC4铁合金的力学性能。另外，如飞机祸轮发动机叶片和人体骨组织植入材料不同 部位需要满足各自不同的力学特性，W满足其实际服役于多性能要求的复杂环境，该就要 求材料具备梯度功能的力学性能。
[0006] 很明显，如果要在此基础上进一步降低TC4铁合金的弹性模量，并实现其功能梯 度分布的特性，只有改善其中两相的分布和形貌使之朝有利于其弹性模量降低的方向发 展，同时还需要实现显微组织的梯度分布W期制备梯度功能材料，满足实际复杂的服役环 境。
[0007] 传统的高温相变热处理工艺可在一定程度上降低TC4铁合金的弹性模量，但由于 组织和性能的单一性并不能满足功能梯度材料的实际需要。而采用分段制备而后进行焊 接的工艺虽然可W制备梯度功能铁合金带材，但存在W下技术问题；工艺复杂，成本较高， 由于同一分段的力学性能一致导致焊接后整体的力学性能不是连续变化的，焊接部位与基 体部分由于组织相异性及焊接过程中引入的焊接缺陷容易造成失效甚至断裂。另外，由于 铁合金中溶质原子在固相中扩散速度很慢，一般铁合金的高温相变处理工艺存在加热温度 高巧60°CW上）、保温时间长（视炉内批量的大小而定，一般数小时）和能耗大等问题，由 于加热温度高、保温时间长，铁合金的表面很容易氧化，特别是铁合金板、带材一旦出现局 部表面氧化现象，后续处理很难去除氧化层，严重影响后续成型工序和最终产品的质量；同 时在长时间高温情况下，TC4铁合金容易发生晶粒异常长大，直接导致材料内部晶粒尺寸严 重不均匀，严重损害了材料的最终力学性能。再者，还必须严格控制铁合金的加热方式和加 热速度等工艺，W防一旦加热方式和升温速度选择不当，将会产生材料内部温度不均、局部 过烧，最终导致固溶处理后材料内部组织不均匀和力学性能不稳定的后果，所W影响传统 热处理工艺的因素复杂，生产成本高。因此如何克服铁合金传统高温相变热处理工艺的不 足，研究一种具有力学性能梯度分布的TC4铁合金的新型高能电脉冲在线制备工艺就显得 尤为重要。
【发明内容】
[000引本发明的目的是提供一种梯度功能铁合金带材制备方法，W解决现有方法工艺复 杂，成本高，制得的梯度功能铁合金带材力学性能差、焊接部易断裂等技术问题。
[0009] 本发明提供的一种梯度功能铁合金带材制备方法包括：
[0010] 驱动原料带材匀速运动；
[0011] 通过沿带材运动方向间隔设置的两个固定不动的电接触装置将一高能脉冲 电源与运动的带材电连接，间歇地向带材导入频率60-760化、电压10-600V、脉冲宽度 10-6000 y S的高能脉冲电流，对带材进行高能电脉冲处理；W及
[0012] 对处理后的带材进行裁切，即制得梯度功能铁合金带材。
[0013] 在上述的梯度功能铁合金带材制备方法中，优选地，两个电接触装置之间的距离 与单个梯度功能铁合金带材产品的长度相等，在间歇地向带材导入高能脉冲电流时，每次 导入持续时间与带材运动速度的乘积与两个电接触装置之间的距离值相等，且两次导入之 间的间隔时间与每次导入持续时间相等。
[0014] 在上述的梯度功能铁合金带材制备方法中，优选地，两个电接触装置之间的距离 大于单个梯度功能铁合金带材产品的长度，在间歇地向带材导入高能脉冲电流时，每次导 入持续时间与带材运动速度的乘积小于两个电接触装置之间的距离值，且两次导入之间的 间隔时间大于每次导入持续时间。
[0015] 在上述的梯度功能铁合金带材制备方法中，优选地，带材的运动速度为0. 6-160 米/分钟。
[0016] 在上述的梯度功能铁合金带材制备方法中，为了进一步提高产品的表面质量，优 选地，所述带材先通过与高能脉冲电源正输出端连接的电接触装置，后通过与高能脉冲电 源负输出端连接的电接触装置。
[0017] 在上述的梯度功能铁合金带材制备方法中，优选地，进一步还包括在送入电接触 装置前对原料带材进行变形率大于5%的轴制、和/或进行低温去应力退火的步骤。
[001引在上述的梯度功能铁合金带材制备方法中，优选地，进一步还包括对经过高能脉 冲电流处理后的带材进行冷却的步骤。
[0019] 在上述的梯度功能铁合金带材制备方法中，优选地，带材上的脉冲电流密度的幅 值为 200A/mm2-6〇〇〇A/mm2。
[0020] 本发明提供的一种梯度功能TC4铁合金带材，其由一根力学性能单一的TC4铁合 金带材采用上述制备方法制成，该梯度功能TC4铁合金带材的弹性模量沿带材长度方向连 续变化。
[0021] 在上述的梯度功能铁合金带材中，优选地，按显微组织结构区分，所述梯度功能铁 合金带材从一端到另一端依次由等轴化组织、双态化组织和层片化组织=段组成，=段的 长度占总