纯钛(TA1)超细丝的冷拉拔工艺及组织性能研究

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金属钛具有质轻、比强度高、耐蚀性好、生物相容性优良、无磁性等特性,使其广泛应用于航空航天、生物医学、汽车工业等领域。纯钛丝材的开发受到越来越多的关注,目前工业上通过拉拔已可制备φ0.1mm的纯钛细丝,不同尺寸的丝材在生物医用、工业过滤、海水养殖等方面有着一定的利用。但是对纯钛超细丝(d<0.1mm)的报道并不多,尤其是其制备工艺方面的研究很少。纯钛超细丝的开发对更精细领域如生物体微小组织修复、高精过滤、多孔材料等具有重要意义。但其制备同时也会面临粗丝拉拔制备中的变形抗力大、室温塑性差、易粘模等问题的挑战。本课题以φ0.1mm TA1丝材为母材,目标是制备φ0.05mm以下的超细丝,对工业高速连续多模拉拔和低速单模拉拔工艺的可行性进行研究。最终,通过低速单模拉拔制备了φ0.046mm的TA1超细丝。并采用金相组织观察、室温拉伸及X射线衍射等表征手段对拉拔态丝材的组织、力学性能和退火处理制度进行研究。主要结论如下:通过对模具、润滑剂、拉拔速度的调控,均难以实现高速连续多模拉拔制备TA1超细丝。主要原因是纯钛难以附着润滑剂,不能有效减轻高速拉拔变形中的摩擦和带走热量,造成丝材易粘模。低速单模拉拔工艺中,石墨乳是有效的润滑剂,最优拉拔速度为10m/min。不经过中间退火,制备了φ0.046mm的TA1超细丝。原始φ0.1mm TA1丝材为等轴晶组织,整体上组织细小,平均晶粒尺寸为3.0μm。拉拔过程中,晶粒沿拉拔方向拉长,随变形量增大等轴晶组织逐渐变成纤维状组织,位错滑移是主要的塑性变形机制。原始丝材的晶粒尺寸相差较大,变形过程中应力分布不均匀,容易造成局部应力集中。这使得变形量为14.99%时,丝材强度提高较多,塑性急剧下降,由初始态的16.4%降低至2%。随变形量增大,丝材强度不断提高,延伸率变化不大,加工硬化效应显著。φ0.046mm超细丝的屈服强度和抗拉强度分别为881MPa和990MPa,较原始态分别提高了 105%和72%,形变强化是主要的强化机制。拉拔态丝材在变形量较小时便形成<10(?)0>//拉拔方向的丝织构,变形量增大,织构类型不变,强度稍有提高。φ0.046mm TA1超细丝的最佳退火制度为500℃/20min。丝材基本完成了再结晶,再结晶晶粒细小均匀,平均晶粒尺寸为2μm,较原始丝材发生了细化。屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为520MPa、644MPa和10.6%,机械性能良好。退火态丝材的丝织构类型不变,仍为<1010>//拉拔方向的丝织构。退火温度提高,再结晶充分完成并发生晶粒长大,再结晶织构为<11(?)0>//拉拔方向的丝织构,再结晶晶粒倾向于密排方向长大。
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