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本发明提供一种在TC21钛合金表层获得梯度微纳尺度孪晶的方法。该方法是首先通过高温β相区固溶后获得过饱和相，然后在双相区经过反复热变形，然后再加热控制形成超细化的再结晶晶粒。在此基础上采用高压水射流喷丸方法对超细化晶粒的钛合金表面进行改性处理，通过高应变速率的表面变形，更容易以孪生的方式进行塑性变形，因此材料经过表层改性后将在超细晶粒中形成表层梯度微纳尺度孪晶结构。本发明在超细晶粒中形成的微纳尺度孪晶对硬度和强度提高具有较大贡献，次表层最高硬度可达到412HV。属于材料表面处理及改性技术领域。

与现有技术相比，本发明的原理是将初始状态TC21钛合金加热至高温β相区进行快冷处理，获得过饱和马氏体相后，重新加热至高温双相区进行大塑性变形后，以保留变形能不被消耗，由此得到的组织具有很高的形变储存能，组织中高形变储存能为后续再结晶形成超细晶粒提供驱动力，该组织在后续加热并保温过程中根据材料尺寸精确控制温度和时间可以形成均匀的超细再结晶晶粒；第二步在超细晶粒TC21钛合金中将经过晶粒超细化TC21合金可以做成板状、棒状或轴类零件，采用高压水射流喷丸设备进行表面处理，利用高压水射流加磨料可以对材料或零件进行高应变速率的表面变形，材料在高应变速率下更容易抑制位错产生和增殖，而容易以孪生的方式进行塑性变形，因此材料经过表层改性后将在超细晶粒中形成梯度微纳尺度孪晶结构，本发明形成在超细晶粒的基础上表层再形成梯度微纳尺度孪晶对表面硬度和强度提高具有较大贡献，次表层最高硬度可达到412HV，为在其他密排六方金属和高层错能合金中引入微纳尺度的孪晶提供思路,从而进一步提升高层错能材料的力学性能。

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