CN100375793C - 一种β钛基五元合金 - Google Patents

Abstract

一种β钛基五元合金，其特征在于该合金由Ti、Zr、Nb、V、Al五种元素组成，按重量百分比为：Zr：15%-25%、Nb：15%-20%、V：2%-6%、Al：0.5%-2%，余量为钛。该合金相对现有的Ti-Zr-Nb系列合金，降低了Nb元素，并且铝与钒元素以铝钒合金形式加入，合金成本较低。该β钛合金通过真空电弧熔炼炉熔炼而成，经冷或热加工及热处理制备板、棒丝等形式的材料。该β钛合金材料具有低模量、高弹性、优良冷加工性和焊接性。该β钛合金具有较高的性价比。可直接应用于齿科材料、弹性材料。也可以焊接元件的形式，单独或与Ti6Al-4V钛合金一同应用于眼镜材料、体育用品材料等弹性元器件。

Description

一种β钛基五元合金

技术领域

本发明涉及一种具有低模量、高弹性、优良冷加工性和焊接性的合金及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金由于比强度高、耐腐蚀性好、生物相容性优良等性能，已经广泛应用于宇航、化工、医疗等领域。但是，作为生物材料和高弹性材料，钛合金的弹性模量较高，一般钛合金的杨氏弹性模量在100-120Gpa。应用最广的钛合金Ti-6Al-4V的模量为115Gpa，该合金的冷加工性差。因此，近年来低模量钛合金成为一个研发热点，国内外已先后开发了多种新型低模量钛合金。其中，Ti-Zr-Nb系列的合金具有优良冷加工性，而被受关注。例如，美国的Ti-13Zr-13Nb、Ti-35Nb-5Ta-7Zr、日本的Ti-29Nb-13Ta-5Zr、T525(Ti-25Zr-25Nb)、中国的Ti-Zr-Nb-X(公开号CN1360073，X＝Ta、Mo、Pt、Au、Sn、Ag、V)。这些钛合金在Nb、Ta合金的含量高时，其模量都较低，可以低于55Gpa。但是，贵金属Nb、Ta合金的含量高时，不但合金的冶金制造困难，而且成本高。

本发明“一种β钛基五元合金”是在现有Ti-Zr-Nb系列合金的基础上，适当降低Nb合金元素，加入一定的V、Al合金元素，同时还保持低模量、高弹性、优良冷加工性和焊接性的β钛合金。该钛合金，成本较低，性价比较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低模量、高弹性、优良的冷加工性和焊接性能的钛合金材料。

本发明的构思是在Ti-Zr-Nb系列合金的基础上，调节钛合金的成分，降低贵重金属元素、加入廉价铝钒合金元素，使该五元合金仍保持低模量、高弹性、优良冷加工性和焊接性能。该钛合金的特征在于该合金主要由Ti、Zr、Nb、V、Al五种元素组成，按重量百分比为：Zr：15％-25％、Nb：15％-20％、V：2％-6％、Al：0.5％-2％。

上述合金的设计原因在于：各种合金元素对钛合金的β相的稳定和强化作用不同。相对于α相，β相的原子间距较大，原子间的引力较弱，相应合金材料的弹性模量较低。而且，β相的滑移系多，相应合金材料的可加工性好。因而要设计一种β钛合金。同样，为了达到弹性模量低的目的，选择合金元素的强化作用，应较弱。

Zr与钛形成α和β连续固溶体，Nb、V与钛只形成β连续固溶体，Al与钛不形成连续固溶体。因此，设计合金元素中，Al元素的含量最少，以免形成Ti-Al金属间化合物。Zr是中性元素，含Zr量高于18％时，钛合金快冷才能保留少量的β相。而且，Zr与Ti原子半径相近，是弱的合金化元素。所以，设计合金中，Zr元素的含量高。Nb、V都使钛α——β转变温度急剧降低，都是属于弱的β稳定元素。在Nb含量高于36％时，钛合金快冷可完全保留β相。在V含量高于15％时，钛合金快冷可完全保留β相。Nb与V元素对性能的主要影响不同，Nb元素主要使钛合金的塑性提高，V元素主要使钛合金的强度提高，因此，设计合金元素中，Nb元素的含量较高，V元素的含量较低。

本发明的目的还在于其经济性。本发明的β钛基五元合金，相对于已有的低模量合金，Nb元素的含量较低，而且，V、Al元素以廉价的铝钒中间合金加入。合金材料的制备成本较低。另一方面，由于V、Al合金元素的加入，该β钛基五元合金不但具有好的自焊接性能，而且与Ti-6Al-4V合金的焊接性能也好。这两方面，都可促进该合金材料，作为弹性材料或弹性元器件的应用。

本发明的合金的制备过程是：首先将海绵钛、海绵锆、铝钒合金、铌或铌钛中间合金按一定比例均匀配置成合金料，合金料经压制、焊接成电极杆，再经真空自耗电弧熔炼炉熔炼二次或多次成铸锭，后经锻造、轧制、热处理等加工工序制造成为各种形式的合金材料或元器件。

具体实施方式

一种β钛基五元合金，其特征在于该合金主要由Ti、Zr、Nb、V、Al五种元素组成，按重量百分比为：Zr：15％-25％、Nb：15％-20％、V：2％-6％、Al：0.5％-2％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质元素总含量≤0.60％，并且碳≤0.03％，氮≤0.01％，氢≤0.01％，氧≤0.20％。采用海绵钛、海绵锆、铝钒合金(钒含量50-85wt％)、纯铌或铌钛中间合金(铌含量35-55wt％)为原料，通过压制、焊接制备合金成分均匀分布电极杆，经真空自耗电弧熔炼炉熔炼二次或二次以上成铸锭。然后经锻造、轧制、热处理等加工工序制造出本发明的合金。开坯锻造在加热温度1050℃-1150℃下进行；轧制在加热温度800℃-950℃下进行；固溶热处理在α--β转变温度的-50℃-+50℃进行，保温时间0.5-1.5小时，采用水淬或空冷；时效处理在加热温度300℃-550℃下进行，保温时间4-12小时，空冷。

本发明的钛合金的应用可以是管、板、棒、丝材，以及这些材料的机加或焊接制品；焊接采用等离子束焊接方法。

实施例1：

采用1级海绵钛、原子能级海绵锆、Al-85V合金颗粒和Nb-47Ti合金屑为原料，按名义成分Ti-20Zr-15Nb-2V-0.5Al(重量百分比wt％)配制合金料。合金料经混料后压制成电极块，用氩弧焊接方法将电极块焊接成熔炼用电极。在真空自耗电弧熔炼炉中，电极经两次自耗熔炼成φ90的钛合金铸锭。熔炼真空度为2×10^-2Pa，熔炼电压为32-34伏，熔炼电流为1400-2200安培。铸锭在900℃入炉，加热到1100℃保温2h后，直接拔长锻造。一火次锻成40×40的方棒。热轧在250横列式上进行，热轧工艺为950℃保温30min后，由40×40的方棒直接轧制出φ8.5的线材。

该线材经750℃保温30min后，水淬，得到两相区固溶的合金。该合金的杨氏模量为53Gpa、拉伸强度为690Mpa、屈服强度为455Mpa、延伸率为10％、面缩率为60％。该合金的屈强比很低，为0.64。屈强比低，材料的冷加工性好。采用辊模拉伸方法，可将φ8.0的该合金线材冷拉制到φ3.0。φ3.0冷拉丝的拉伸强度为1120Mpa、屈服强度为950Mpa、延伸率为5％、面缩率为56％。

根据王新敏等人的发明专利(公开号CN1461816A)，在Ti100-Zrx-NbYMz合金(X＝20-50、Y＝20-30、Z＝0-5，M为金属或半金属元素)系统中，Ti-25Zr-25Nb合金在退火状态(820-850℃、AC)其拉伸强度小于700Mpa，延伸率大于20％，杨氏模量为55Gpa，硬度为250Hv。该合金与Ti-25Zr-25Nb合金相比，两合金的杨氏模量与拉伸强度都相当。本发明的合金是成本较低的、低弹性模量钛合金。

实施例2：

合金线材的制备方法同上，合金线材经800℃保温30min后，空冷，得到两相区上限固溶的合金。该合金的拉伸强度为712Mpa、屈服强度为585Mpa、延伸率为12％、面缩率为62％。采用等离子束焊接方法，对φ8.0的该合金材进行焊接后，测得焊后拉伸强度为680～720Mpa。本发明的合金具有很好的自焊接性能。φ8.0的该合金材与Ti-6Al-4V合金对焊后，焊接强度为570～620Mpa，焊接系数达到80～87％。本发明的合金与Ti-6Al-4V合金具有优良的焊接性能。

实施例3：

采用纯金属元素为原料，按名义成分Ti-25Zr-18Nb-3V-1Al(wt％)配制合金料。经反复5次以上的真空电弧熔炼，得到均匀的合金锭。该合金锭直接冷轧成为板材。该板材经真空包套后，在850℃固溶60min后，空冷，得到β相区固溶的合金。该合金的杨氏模量为43Gpa、拉伸强度为582Mpa、延伸率为23.4％、硬度为235HV。该合金经450℃时效后，材料的杨氏模量为74Gpa、拉伸强度为812Mpa、、延伸率为13.6％、硬度为342HV。

Claims (5)

1.一种β钛基五元合金，其特征在于该合金主要由Ti、Zr、Nb、V、Al五种元素组成，按重量百分比为：Zr：15％-25％、Nb：15％-20％、V：2％-6％、Al：0.5％-2％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质元素总含量≤0.60％，并且碳≤0.03％，氮≤0.01％，氢≤0.01％，氧≤0.20％。

2.根据权利要求1所述的一种β钛基五元合金，其特征在于：该β钛基五元合金具有低的杨氏弹性模量，应用于齿科材料。

3.根据权利要求1所述的一种β钛基五元合金，其特征在于：该β钛基五元合金材料具有好的冷加工性，应用于眼镜材料、体育用品材料弹性材料及弹性元器件。

4.根据权利要求1所述的一种β钛基五元合金，其特征在于：该β钛基五元合金材料具有好的焊接性能，以焊接元件的形式，单独或与Ti-6Al-4V钛合金一同应用于眼镜材料、体育用品材料方面。

5.根据权利要求1所述一种β钛基五元合金，其特征在于：其合金元素中，铝元素、钒元素以铝钒合金形式加入。