CN103060609B - 一种低弹性模量、高强度的近β钛合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低弹性模量、高强度的Ti-Nb-Mo-Sn的近β钛合金，所述合金的化学成分为重量百分比15～35％的铌、1～8％的钼、1～8％的锡、0～1.2％的二氧化钛粉末。本发明的有益效果：本体系合金有好的冷加工性能和低的加工硬化率，可通过冷轧制和冷拔丝等冷加工工艺进行大尺度冷变形；本体系的合金热加工或冷加工后有非线性变形的特点，有大的可回复弹性应变、低的初始模量、平均模量和高的强度；本体系的合金熔炼后经热加工或冷加工及热处理后，有低的弹性模量、高屈服强度、断裂强度和大的线弹性；本体系的合金可用于制备医疗、体育和工业器械，可用于人工骨、骨关节、种植齿根和骨板等生物医用，等等。

Description

一种低弹性模量、高强度的近β钛合金及制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金技术领域，具体地说是一种低弹性模量、高强度的近β钛合金及制备方法，特别是涉及医疗、体育和工业应用的具有低弹性模量、高强度的Ti-Nb-Mo-Sn合金。

背景技术

与传统的不锈钢和钴基合金相比，钛及其合金具备较低的密度和弹性模量、较高的强度、比强度以及良好的生物相容性和耐蚀性，因而在医学临床上得到了越来越广泛的应用。目前用于临床医学的医用钛合金主要为α+β型Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb。与传统的不锈钢和钴基合金相比，虽然Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb较低的弹性模量(约为不锈钢和钴基合金的一半)一定程度地解决了植入材料与骨骼弹性模量差异引起的“应力屏蔽”问题，但是同骨骼弹性模量相比(约30GPa)，Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb约100GPa的弹性模量依然偏高。此外研究表明：含有Al和V的钛合金在长期植入人体后会因磨损和腐蚀释放出具有细胞毒性和神经毒性的Al和V离子，对人体造成损伤。因此，以美国和日本为代表的发达国家自上世纪九十年代就开始致力于具有更好生物相容性的β型医用钛合金的开发，如Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo、Ti-35Nb-5Ta-7Zr、Ti-12Nb-6Zr-2Fe、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-15Nb-4Sn-2Ta等合金。以上合金均为低模量、高强度的医用钛合金，主要应用于生物植入材料，如人工骨、骨关节和骨板。新型β型医用钛合金尽管一定程度地解决了α+β型钛合金作为植入材料存在的问题，但仍然存在不足之处：(1)上述合金弹性模量在固溶条件下大于60GPa，时效处理后弹性模量约在90GPa左右，且在特定处理状态下不能同时满足低模量、高强度的要求；(2)不少合金中含有难熔金属钽，使得铸锭冶金质量不易控制，相应的制备成本增加。

对于以Ti-Nb为基不含难熔金属Ta的钛合金，目前已有多个与低模量或高强度相关的专利申请，对二元Ti-Nb(美国专利号：5,545,227；5,573,401；5,169,597；5,169,597)、三元Ti-Nb-Zr(美国专利号：5,169,597)、四元Ti-Nb-Zr-Sn(美国专利号：10/582233)、Ti-Nb-Mo-Zr(申请号：03153138.5，美国专利号：5,871,595)、五元Ti-Nb-Mo-Zr-Sn(申请号：03153139.3)要求专利保护。以上以Ti-Nb为基不含难熔金属Ta的钛合金均为低模量或高强度医用钛合金。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种低弹模、高强度的近β钛合金，化学成分为：

重量百分比15～35％的铌，

重量百分比1～8％的钼，

重量百分比1～8％的锡，

重量百分比0～1.2％的二氧化钛粉末，

作为余量的钛(和/或作为痕量的杂质元素)。

根据本发明的一个进一步的方面，提供了一种近β钛合金的制备方法，其特征在于包括：

将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、锡(Sn)金属和二氧化钛(TiO₂)粉末如下配比：重量百分比15～35％的铌、1～8％的钼、1～8％的锡、0～1.2％的二氧化钛粉末、余下为钛，

将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成锭子；

将锭子热锻至预定厚度；

将热锻后的锭子进行均匀化退火；

将锭子冷轧或热轧至所需厚度；

固溶处理步骤，将冷轧或热轧后的板材封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至600℃～900℃的温度区间内保温1～12小时后将石英管取出，击碎石英管将板材直接空冷也可将板材落入水中水冷。

附图说明

图1为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金700℃×1h水淬X射线衍射谱。

图2为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金冷轧态X射线衍射谱。

图3为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金450℃×1.5h退火态X射线衍射谱。

图4为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金700℃×1h水淬后拉伸应力-应变曲线。

图5为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金冷轧态拉伸应力-应变曲线。

图6为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金450℃×1.5h退火态拉伸应力-应变曲线。

图7为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金700℃×1h水淬X射线衍射谱。

图8为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金冷轧态X射线衍射谱。

图9为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金450℃×1.5h退火态X射线衍射谱。

图10为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金700℃×1h水淬后拉伸应力-应变曲线。

图11为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金冷轧态拉伸应力-应变曲线。

图12为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金450℃×1.5h退火态拉伸应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的一个目的，是提供一种具备低弹模、高强度、一定塑性且成本相对较低的不含难熔钽元素的新型Ti-Nb-Mo-Sn体系近β钛合金及其制备方法，该体系合金可广泛的应用于制备医疗、体育和工业器械。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种低弹模、高强度的近β钛合金，化学成分为：

重量百分比15～35％的铌，

重量百分比1～8％的钼，

重量百分比1～8％的锡，

重量百分比0～1.2％的二氧化钛粉末，

作为余量的钛(和/或作为痕量的杂质元素)。

在根据本发明的一个实施例中，铌和钼总含量折算成铌当量重量百分比小于42％，锡含量重量百分比为1～8％，以确保合金形成亚稳定的近β钛合金，

其中，有关铌当量的计算公式如下：

[Nb]当量(重量)％＝[Nb]重量％+3.3[Mo]重量％

上述设计的原因在于：铌，钼元素为β稳定元素，有利于钛合金在淬火条件下得到β相以实现弹性模量的降低，同时，铌，钼元素具有固溶强化的效果。但Nb，Mo元素加入过量，一则增加合金的稳定化程度，使合金随后的固溶时效效应减弱甚至丧失而无法实现合金组织与性能的调整；二则增加合金密度、原料及熔炼加工成本。合金中含有的重量百分比1～8％Sn一方面有利于钛合金在淬火条件下得到β相以实现弹性模量的降低，另一方面，合金中含有适量的锡也有利于抑制ω相的产生并促进退火及时效过程中强化相α相的生成。

根据本发明的一个实施例的钛合金中可以含有少量无毒间隙元素，如碳、氮和/或氧，其含量重量百分比小于0.5％。

根据本发明的一个实施例的制备所述低弹模、高强度的近β钛合金的方法包括真空熔炼步骤和热机械处理步骤。所述真空熔炼步骤包括：将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)和锡(Sn)金属和二氧化钛(TiO₂)粉末依据重量百分比15～35％的铌、1～8％的钼、1～8％的锡、0～1.2％的二氧化钛粉末，余下为钛的配比配好，将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成锭子；所谓热机械处理步骤包括：将锭子热锻至预定厚度；将锻造后的锭子封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至700℃～1200℃的温度区间内保温1～24小时后将石英管取出，击碎石英管直接将锭子落入水中水冷也可待石英管空冷20秒到1分钟后再击碎石英管然后将锭子落入水中水冷的均匀化处理；将均匀化退火的锭子依据冷轧和热轧变形量的要求轧至所需厚度；将轧后的板材封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至600℃～900℃的温度区间内保温1～12小时后将石英管取出，击碎石英管将板材直接空冷也可将板材落入水中水冷的固溶处理，用以降低合金的弹性模量，待固溶处理完成后将板材直接置于热处理炉子加热升温至200℃～550℃温度区间内保温0.5～24小时后直接空冷也可将板材落入水中水冷的时效处理，用以提高合金的强度。

将轧后的板材直接置于热处理炉子加热升温至200℃～550℃温度区间内保温0.5～24小时后直接空冷也可将板材放入水中水冷的退火处理，以降低弹性模量和提高强度。

用根据本发明的方法制成的低弹模、高强度的近β钛合金可以进行热加工，例如(但不限于)热轧、热拔丝、热镦等方式；也可以进行冷加工，例如(但不限于)冷轧、冷拔丝、冷镦等方式。其中，热加工和冷加工前，所述近β钛合金需进行上文所述均匀化处理，合金的变形量应大于20％。

与现有技术相比，本发明具有如下收益效果：

(1)本发明体系合金具有良好的冷加工性能和很低的加工硬化率，可以通过冷轧制和冷拔丝等冷加工工艺进行大尺度的冷变形。

(2)本发明体系合金热加工或冷加工后通常具有非线性变形的特点，具有较大的可回复弹性应变、较低的初始模量、平均模量和较高的强度。

(3)本发明体系合金熔炼后经热加工或冷加工及热处理后，具有较低的弹性模量、较高屈服强度、断裂强度和较大的线弹性。

(4)本发明合金可广泛地应用于制备医疗、体育和工业器械。首先，本发明合金具有低弹性模量、无细胞毒性等特点，可应用于人工骨、骨关节、种植齿根和骨板等生物医用领域。其次，本发明合金具有低模量和高强度等性能，除了生物医用外还可以用于制备高强度结构件、高尔夫球头打击面材料和弹簧等。

实施例1

取表1所述成分，将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)和锡(Sn)金属依据重量百分比15～35％的铌、1～8％的钼、1～8％的锡、余下为钛的配比配好，将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成锭子；将锭子热锻至5mm厚度；将锻造后的锭子封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至900℃的温度区间内保温5小时后将石英管取出，击碎石英管直接将锭子落入水中水冷，将均匀化退火的锭子冷轧成1mm厚的板材(表1中称为冷轧态)；采用线切割的方式从板材上切取横截面积1×1.46mm²、拉伸间距30mm的拉伸试样；将轧后的板材一部分封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至800℃的温度区间内保温1小时后将石英管取出，击碎石英管将板材直接落入水中水冷(表1中称为固溶态)，另一部分轧后的板材直接置于热处理炉子加热至450℃温度区间内保温1.5小时后板材放入水中水冷的退火处理(表1中称为退火态)。将拉伸试样进行打磨、清洗，在Instron型拉伸试验机上进行力学性能测试，测试条件：室温(～25℃)，拉伸速率10^-4S^-1。为保证拉伸杨氏模量、屈服强度及断裂强度测量的准确性，采用应变仪记录应力-应变曲线，从曲线的线弹性变形段计算杨氏模量，结果参见表1。

表1Ti-Nb-Mo-Sn合金的成分及性能

备注：

(1)以Ti15-2-4为例，Ti15-2-4代表成分为Ti-15Nb-2Mo-4Sn的钛合金，其余成分表述类同。

(2)铌当量小于42％的钛合金，冷轧态和固溶态的屈服强度是指发生0.2％不可回复应变处对应的应力值。

表1的实验结果表明：控制合金元素铌、钼、锡的含量并确保铌当量小于42％，可以有效地实现低模量、高强度钛合金的制备，多数合金经退火处理后强度均大于950MPa；当铌当量大于42％时，合金冷轧态的弹性模量明显偏高且合金经退火处理后无法获得较高的强度，强度值均低于650MPa。

实施例2

与实施例1的不同之处在于：本实施例研究合金相组成对合金力学性能的影响，表征实现低模量、高强度钛合金的相组成特征。

取表2所述成分，将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)和锡(Sn)金属依据重量百分比15～35％的铌、1～8％的钼、1～8％的锡、余下为钛的配比配好，将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成锭子；将锭子热锻至4mm厚度；将锻造后的锭子封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至850℃的温度区间内保温10小时后将石英管取出，石英管空冷30秒后击碎石英管直接将锭子落入水中水冷，将均匀化退火的锭子冷轧1mm厚的板材(表2中称为冷轧态)；采用线切割的方式从板材上切取面积10×10mm²的X射线衍射分析试样；将试样一部分封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至700℃的温度区间内保温2小时后将石英管取出，击碎石英管将板材直接落入水中水冷(表2中称为固溶态)，另一部分轧后的板材直接置于热处理炉子加热至400℃温度区间内保温1小时后空冷的退火处理(表2中称为退火态)。试样经打磨、清洗、腐蚀液腐蚀去除应力层后，用X射线衍射分析仪对试样进行物相分析，分析结果见表2。

表2Ti-Nb-Mo-Sn合金的成分及相组成

表2的实验结果结合表1的性能数据表明：控制合金元素铌、钼、锡的含量并确保铌当量小于42％，使得合金冷轧态的相组成为β相+马氏体相(α’或α”)，固溶态的相组成为β相+马氏体相(α’或α”)、退火态的相组成为β+α相可以有效地实现低模量、高强度钛合金的制备，多数合金经退火处理后强度均大于950MPa；当铌当量大于42％时，合金各处理状态的相组成均为单相β相，合金冷轧态的弹性模量明显偏高且合金经退火处理后无法获得较高的强度，强度值均低于650MPa。

实施例3

与实施例1，2的不同之处在于：本实施例用于说明Ti-Nb-Mo-Sn合金轧制前将锻造后的锭子封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至700℃～1200℃的温度区间内保温1～24小时后将石英管取出，击碎石英管直接将锭子落入水中水冷也可待空冷20秒到1分钟后再击碎石英管然后将锭子落入水中水冷的均匀化处理用以抑制初生α相的产生是实现低模量、高强度钛合金的制备必要条件。

取表3所述成分，将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)和锡(Sn)金属依据重量百分比15～35％的铌、1～8％的钼、1～8％的锡、余下为钛的配比配好，将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成锭子；将锭子热锻至3mm厚度后直接冷轧成1mm的板材(表3称为冷轧态)。采用线切割的方式从板材上切取面积10×10mm²的X射线衍射分析试样和横截面积1×1.46mm²、拉伸间距30mm的拉伸试样。拉伸试样经打磨清洗后在Instron型拉伸试验机上进行力学性能测试，测试条件：室温(～25℃)，拉伸速率10^-4S^-1。为保证拉伸杨氏模量、屈服强度及断裂强度测量的准确性，采用应变仪记录应力-应变曲线，从曲线的线弹性变形段计算杨氏模量，XRD测试结果和力学性能如表3。

表3冷轧态Ti-Nb-Mo-Sn合金的成分、相组成及力学性能

表3的实验结果表明：热锻后未经过均匀化处理直接轧制的Ti-Nb-Mo-Sn合金均含有一定量的初生α相，初生α相的存在提高了冷轧态合金的弹性模量。虽然α相的存在一定程度地提高了合金的屈服强度，但熔炼或热锻过程中生成的初生α相体积分数不可控从而造成合金无法通过退火或时效处理来对弹性模量和强度进行大尺度的设计。因此，轧制前将锻造后的锭子封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至700℃～1200℃的温度区间内保温1～24小时后将石英管取出，击碎石英管直接将锭子落入水中水冷也可待空冷20秒到1分钟后再击碎石英管然后将锭子落入水中水冷的均匀化处理用以抑制初生α相的产生是实现低模量、高强度钛合金的制备必要条件。

实施例4

根据实施例1，2，3的研究结果，下面以Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金为例，给出合金加工、热处理工艺及性能。

将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)和锡(Sn)金属依据重量百分比25％的铌、2％的钼、4％的锡，余下为钛的配比配好，将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成锭子；将锭子热锻至5mm；将锻造后的锭子封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至900℃的温度区间内保温5小时后将石英管取出，击碎石英管直接将锭子落入水中水冷；将均匀化退火的锭子冷轧至1mm厚度；采用线切割的方式从板材上切取横截面积1×1.46mm²、拉伸间距30mm的拉伸试样和1mm×1mm的XRD试样。拉伸试样依据表4给出的温度和时间进行热处理，试样经打磨清洗后在Instron型拉伸试验机上进行力学性能测试，测试条件：室温(～25℃)，拉伸速率10^-4S^-1。为保证拉伸杨氏模量、屈服强度及断裂强度测量的准确性，采用应变仪记录应力-应变曲线，从曲线的线弹性变形段计算杨氏模量，力学性能见表4。Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金典型处理条件下的XRD结果和拉伸应力应变曲线见图1-6，其中：

图1为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金700℃×1h水淬X射线衍射谱；

图2为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金冷轧态X射线衍射谱；

图3为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金450℃×1.5h退火态X射线衍射谱；

图4为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金700℃×1h水淬后拉伸应力-应变曲线；

图5为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金冷轧态拉伸应力-应变曲线；

图6为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金450℃×1.5h退火态拉伸应力-应变曲线。

表4Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金的弹性模量和屈服强度

从表4可以看出：Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金经热处理后能够满足低模量、高强度的要求，合金具有很好的可设计性。

实施例5

根据实施例1，2，3的研究结果，下面以Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金为例，给出合金加工、热处理工艺及性能。

将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)和锡(Sn)金属依据重量百分比15％的铌、6％的钼、3.2％的锡，余下为钛的配比配好，将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成锭子；将锭子热锻至5mm；将锻造后的锭子封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至900℃的温度区间内保温5小时后将石英管取出，击碎石英管直接将锭子落入水中水冷；将均匀化退火的锭子冷轧至1mm厚度；采用线切割的方式从板材上切取横截面积1×1.46mm²、拉伸间距30mm的拉伸试样和1mm×1mm的XRD试样。拉伸试样依据表5给出的温度和时间进行热处理，试样经打磨清洗后在Instron型拉伸试验机上进行力学性能测试，测试条件：室温(～25℃)，拉伸速率10^-4S^-1。为保证拉伸杨氏模量、屈服强度及断裂强度测量的准确性，采用应变仪记录应力-应变曲线，从曲线的线弹性变形段计算杨氏模量，力学性能见表5。Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金典型处理条件下的XRD结果和拉伸应力应变曲线见图7-12，其中：

图7为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金700℃×1h水淬X射线衍射谱；

图8为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金冷轧态X射线衍射谱；

图9为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金450℃×1.5h退火态X射线衍射谱；

图10为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金700℃×1h水淬后拉伸应力-应变曲线；

图11为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金冷轧态拉伸应力-应变曲线；

图12为Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金450℃×1.5h退火态拉伸应力-应变曲线。

表5Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金的弹性模量和屈服强度

从表5可以看出：Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金经热处理后能够满足低模量、高强度的要求，合金具有很好的可设计性。

实施例6

分别将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)和锡(Sn)金属和二氧化钛(TiO₂)粉末依据重量百分比25％的铌、2％的钼、4％的锡和0.27％，0.61％和1.10％的二氧化钛，余下为钛的配比配好，将配好的三种成分原料依次置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成3种成分的锭子；将三个锭子分别热锻至5mm；将锻造后的锭子分别封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至900℃的温度区间内保温5小时后将石英管取出，击碎石英管直接将锭子落入水中水冷；将均匀化退火的三个锭子分别冷轧至1mm厚度；采用线切割的方式从板材上切取横截面积1×1.46mm²、拉伸间距30mm的拉伸试样。拉伸试样在450℃下退火1.5h后水冷，再经打磨清洗后在Instron型拉伸试验机上进行力学性能测试，测试条件：室温(～25℃)，拉伸速率10^-4S^-1。为保证拉伸杨氏模量、屈服强度及断裂强度测量的准确性，采用应变仪记录应力-应变曲线，从曲线的线弹性变形段计算杨氏模量，力学性能见表6。

表6氧含量对Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金弹性模量和屈服强度的影响

实施例7：

分别将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)和锡(Sn)金属和二氧化钛(TiO₂)粉末依据重量百分比15％的铌、6％的钼、3.2％的锡和0.27％，0.61％和1.10％的二氧化钛，余下为钛的配比配好，将配好的三种成分原料依次置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成3种成分的锭子；将三个锭子热锻至5mm；将锻造后的锭子封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至900℃的温度区间内保温5小时后将石英管取出，击碎石英管直接将锭子落入水中水冷；将均匀化退火的三个锭子分别冷轧至1mm厚度；采用线切割的方式从板材上切取横截面积1×1.46mm²、拉伸间距30mm的拉伸试样。拉伸试样在450℃下退火1.5h后水冷，再经打磨清洗后在Instron型拉伸试验机上进行力学性能测试，测试条件：室温(～25℃)，拉伸速率10^-4S^-1。为保证拉伸杨氏模量、屈服强度及断裂强度测量的准确性，采用应变仪记录应力-应变曲线，从曲线的线弹性变形段计算杨氏模量，力学性能见表7。

表7氧含量对Ti-15Nb-6Mo-3.2Sn合金弹性模量和屈服强度的影响

Claims (8)

1.一种近β钛合金的制备方法，其特征在于包括：

将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、锡(Sn)金属和二氧化钛(TiO₂)粉末如下配比：重量百分比15～35％的铌、1～8％的钼、1～8％的锡、0～1.2％的二氧化钛粉末、余下为钛，

将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成锭子；

将锭子热锻至预定厚度；

将热锻后的锭子进行均匀化退火；

将锭子冷轧或热轧至所需厚度；

固溶处理步骤，将冷轧或热轧后的板材封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至600℃～900℃的温度区间内保温1～12小时后将石英管取出，击碎石英管将板材冷却，所述冷却的方式是从直接空冷和将板材落入水中水冷这两种方式中选出的一种；

时效处理步骤，待固溶处理完成后将板材直接置于热处理炉子加热升温至200℃～550℃温度区间内保温0.5～24小时后冷却，所述冷却的方式是从直接空冷和将板材落入水中水冷这两种方式中选出的一种；

退火处理步骤，将冷轧或热轧后的板材直接置于热处理炉子加热升温至200℃～550℃温度区间内保温0.5～24小时后冷却，所述冷却的方式是从直接空冷和将板材落入水中水冷这两种方式中选出的一种，

其中

铌和钼总含量折算成铌当量重量百分比小于42％，锡含量重量百分比为1～8％，以确保合金形成亚稳定的近β钛合金，

有关铌当量的计算公式如下：

[Nb]当量(重量)％＝[Nb]重量％+3.3[Mo]重量％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次的步骤为在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼3～5次。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述将锭子热锻至预定厚度和均匀化退火的步骤包括：

将锭子热锻至预定厚度，

均匀化退火步骤，将锻造后的锭子封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至700℃～1200℃的温度区间内保温1～24小时后将石英管取出，击碎石英管直接将锭子落入水中水冷。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在均匀化处理和固溶处理中的保温过程结束之后，将石英管空冷20秒到1分钟，之后击碎石英管，然后将锭子或板材落入水中水冷。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括：

所述的轧制所需厚度和热锻预定厚度分别指材料依据具体尺寸要求所需要的厚度和依据轧制所需厚度和轧制变形量要求而计算出来的预定厚度，轧制变形量＝(热锻预定厚度—轧制所需厚度)/热锻预定厚度×100％，轧制变形量介于20～100％之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括：

在进行所述将轧后的板材封于石英管中在600℃～900℃固溶处理之前，将均匀化退火的锭子依据冷轧和热轧变形量的要求轧至所需厚度。

7.一种低弹模、高强度的近β钛合金，成分配比特征在于含有：

重量百分比15～35％的铌，

重量百分比1～8％的钼，

重量百分比1～8％的锡，

重量百分比0～1.2％的二氧化钛粉末，

作为余量的钛，

其中

所述近β钛合金是用根据权利要求1－6之一的方法制备的，

铌和钼总含量折算成铌当量重量百分比小于42％，锡含量重量百分比为1～8％，以确保合金形成亚稳定的近β钛合金，

有关铌当量的计算公式如下：

[Nb]当量(重量)％＝[Nb]重量％+3.3[Mo]重量％。

8.根据权利要求7的近β钛合金，其中所述钛合金中可以含有少量无毒间隙元素，其重量百分比含量小于0.5％，所述无毒间隙元素包括碳、氮和/或氧。