CN103695710B - 一种高强度钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度钛合金，按照重量百分比含量含有：Nb：21~24.5%，Zr：6.8~8.2%，Sn：8~9.6%，O：0.01~0.15%，RE：1.58~2.6%，Al：2.1~2.8%，C：1.2~1.8%，余量为Ti；通过特定制备方法得到特定的微观结构，使得其具有抗拉强度1010~1050MPa，弹性模量为67~82GPa，伸长率为11~19%，断面收缩率为38~58%的较好性能。

Description

一种高强度钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料领域，特别是涉及一种高强度钛合金及其制备方法。
背景技术
医用钛合金指用于制造植入人体内的医疗器件、假体或人工器官和辅助治疗设备的钛合金，一般要求比强度高、力学性质接近人骨，强度远优于纯钛，还具有耐疲劳、耐腐蚀及生物相容性优良等特点。目前在在医学领域中广泛使用的医用钛合金在抗拉强度等方面具有先天不足，导致废品率和使用年限得到限制，上述问题已引起医学界的强烈关注，急需研发一种强度较高，但是又不损害伸长率和断面收缩率等性能的高强度钛合金。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种高强度钛合金；
本发明的目的之二在于提出一种高强度钛合金的制备方法；
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强度钛合金，按照重量百分比含量含有：Nb：21~24.5%，Zr：6.8~8.2%，Sn：8~9.6%，O：0.01~0.15%，RE：1.58~2.6%，Al：2.1~2.8%，C：1.2~1.8%，余量为Ti；
所述高强度钛合金微观结构中，表面的TiC相的平均直径为1.2~2.6nm，中心的TiC相的平均直径为2.8~3.8nm；表面的NbC相的平均直径为1.6~3.1nm，中心的NbC相平均直径为3.6~4.2nm；
所述高强度钛合金的性能为：抗拉强度1010~1050MPa，弹性模量为67~82GPa，伸长率为11~19%，断面收缩率为38~58%。
作为优选，按照重量百分比含量含有：Nb：23.5%，Zr：7.2%，Sn：8.9%，O：0.09%，RE：1.98%，Al：2.6%，C：1.28%，余量为Ti。
作为优选，按照重量百分比含量含有：Nb：21.5%，Zr：8.0%，Sn：9.1%，O：0.012%，RE：2.1%，Al：2.7%，C：1.69%，余量为Ti。
作为优选，所述高强度钛合金微观结构中，表面的TiC相的平均直径为2.1nm，中心的TiC相的平均直径为3.2nm；表面的NbC相的平均直径为1.8nm，中心的NbC相平均直径为3.9nm；
所述高强度钛合金的性能为：抗拉强度1030MPa，弹性模量为69GPa，伸长率为18%，断面收缩率为42%。
作为优选，所述高强度钛合金微观结构中，表面的TiC相的平均直径为1.3nm，中心的TiC相的平均直径为3.6nm；表面的NbC相的平均直径为2.1nm，中心的NbC相平均直径为3.65nm；
所述高强度钛合金的性能为：抗拉强度1045MPa，弹性模量为75GPa，伸长率为12%，断面收缩率为40%。
高强度钛合金的制备方法，包含如下步骤：
（a）配料：按照Nb：21~24.5%，Zr：6.8~8.2%，Sn：8~9.6%，O：0.01~0.15%，RE：1.58~2.6%，Al：2.1~2.8%，C：1.2~1.8%，余量为Ti进行配料，其中Ti以海绵钛，Zr以海绵锆、Nb采用Ti-52Nb中间合金、Sn采用Ti-68Sn中间合金、RE采用混合稀土、Al和C采用Ti-Al-C中间合金，O为上述原料中残留元素；
（b）熔炼：将步骤（a）配好的料压制成电极，在真空自耗电弧炉中熔炼3~5次；
（c）均匀化退火：均匀化温度为950~978℃，保持时间为15~22h，退火后进行扒皮去除氧化层；
（d）锻造：锻造加热温度为960~1005℃，保温时间为86~100min，终锻温度为860~880℃；
（e）热轧：轧制不进行中间退火，轧制道次为8~10；
（f）冷轧：冷轧的总变形量为80%；
（g）固溶热处理：将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为830-850℃，保温时间为2~5h，水淬；
（h）时效热处理：分为如下五步：时效温度为300~320℃，保温时间为5~18min，水淬；再加热到400~420℃进行第二次时效处理，时效时间为1~1.8h，水淬；再加热到480~495℃进行第三次时效，时效时间为2~2.5h，水淬；再加热到520~550℃进行第四次时效，时效时间为5~8h，水淬；再加热到580~620℃进行第五次时效，水淬，得到高强度钛合金成品。
作为优选，时效热处理分为如下五步：时效温度为310℃，保温时间为8min，水淬；再加热到420℃进行第二次时效处理，时效时间为1h，水淬；再加热到485℃进行第三次时效，时效时间为2h，水淬；再加热到535℃进行第四次时效，时效时间为5h，水淬；再加热到610℃进行第五次时效，水淬，得到高强度钛合金成品。
本发明的效果在于：
通过特定的特定的时效步骤和参数的限定，使得钛合金的微观结构形成表面和中心位置的不同，TiC和NbC相在合金中不同分布，导致其各项性能达到意料不到的好；
通过具体时效热处理与具体固溶以及退火、回火处理的配合，使得抗拉强度达到1010MPa以上，弹性模量为在67GPa以上；并且其他性能在强度提高的前提下，保持伸长率为11~19%，断面收缩率保持为38~58%；
通过上述具体制备方法参数的限定与具体合金成分的配合，使得性能稳定性达到了90%以上。
具体实施方式
实施例1
一种高强度钛合金，按照重量百分比含量含有：Nb：23.5%，Zr：7.2%，Sn：8.9%，O：0.09%，RE：1.98%，Al：2.6%，C：1.28%，余量为Ti。
所述高强度钛合金微观结构中，表面的TiC相的平均直径为2.6nm，中心的TiC相的平均直径为3.7nm；表面的NbC相的平均直径为3.1nm，中心的NbC相平均直径为4.1nm；
所述高强度钛合金的性能为：抗拉强度1022MPa，弹性模量为78GPa，伸长率为18%，断面收缩率为46%。
实施例2：
一种高强度钛合金，按照重量百分比含量含有：Nb：21.5%，Zr：8.0%，Sn：9.1%，O：0.012%，RE：2.1%，Al：2.7%，C：1.69%，余量为Ti。
所述高强度钛合金微观结构中，表面的TiC相的平均直径为2.1nm，中心的TiC相的平均直径为3.2nm；表面的NbC相的平均直径为1.8nm，中心的NbC相平均直径为3.9nm；
所述高强度钛合金的性能为：抗拉强度1030MPa，弹性模量为69GPa，伸长率为18%，断面收缩率为42%。
实施例3：
高强度钛合金的制备方法，包含如下步骤：
（a）配料：按照Nb：23.5%，Zr：7.2%，Sn：9.1%，O：0.15%，RE：1.98%，Al：2.6%，C：1.65%，余量为Ti进行配料，其中Ti以海绵钛，Zr以海绵锆、Nb采用Ti-52Nb中间合金、Sn采用Ti-68Sn中间合金、RE采用混合稀土、Al和C采用Ti-Al-C中间合金，O为上述原料中残留元素；
（b）熔炼：将步骤（a）配好的料压制成电极，在真空自耗电弧炉中熔炼3~5次；
（c）均匀化退火：均匀化温度为950℃，保持时间为19h，退火后进行扒皮去除氧化层；
（d）锻造：锻造加热温度为985℃，保温时间为96min，终锻温度为875℃；
（e）热轧：轧制不进行中间退火，轧制道次为9；
（f）冷轧：冷轧的总变形量为80%；
（g）固溶热处理：将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为840℃，保温时间为2.5h，水淬；
（h）时效热处理：分为如下五步：时效温度为310℃，保温时间为12min，水淬；再加热到410℃进行第二次时效处理，时效时间为1.6h，水淬；再加热到485℃进行第三次时效，时效时间为2.15h，水淬；再加热到530℃进行第四次时效，时效时间为6h，水淬；再加热到590℃进行第五次时效，水淬，得到高强度钛合金成品。

Claims (7)

1.一种高强度钛合金，其特征在于，按照重量百分比含量含有：Nb：21~24.5%，Zr：6.8~8.2%，Sn：8~9.6%，O：0.01~0.15%，RE：1.58~2.6%，Al：2.1~2.8%，C：1.2~1.8%，余量为Ti；
所述高强度钛合金微观结构中，表面的TiC相的平均直径为1.2~2.6nm，中心的TiC相的平均直径为2.8~3.8nm；表面的NbC相的平均直径为1.6~3.1nm，中心的NbC相平均直径为3.6~4.2nm；
所述高强度钛合金的性能为：抗拉强度1010~1050MPa，弹性模量为67~82GPa，伸长率为11~19%，断面收缩率为38~58%。
2.根据权利要求1所述的高强度钛合金，其特征在于，按照重量百分比含量含有：Nb：23.5%，Zr：7.2%，Sn：8.9%，O：0.09%，RE：1.98%，Al：2.6%，C：1.28%，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的高强度钛合金，其特征在于，按照重量百分比含量含有：Nb：21.5%，Zr：8.0%，Sn：9.1%，O：0.012%，RE：2.1%，Al：2.7%，C：1.69%，余量为Ti。
4.根据权利要求1所述的高强度钛合金，其特征在于，所述高强度钛合金微观结构中，表面的TiC相的平均直径为2.1nm，中心的TiC相的平均直径为3.2nm；表面的NbC相的平均直径为1.8nm，中心的NbC相平均直径为3.9nm；
所述高强度钛合金的性能为：抗拉强度1030MPa，弹性模量为69GPa，伸长率为18%，断面收缩率为42%。
5.根据权利要求1所述的高强度钛合金，其特征在于，所述高强度钛合金微观结构中，表面的TiC相的平均直径为1.3nm，中心的TiC相的平均直径为3.6nm；表面的NbC相的平均直径为2.1nm，中心的NbC相平均直径为3.65nm；
所述高强度钛合金的性能为：抗拉强度1045MPa，弹性模量为75GPa，伸长率为12%，断面收缩率为40%。
6.权利要求1所述高强度钛合金的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
（a）配料：按照Nb：21~24.5%，Zr：6.8~8.2%，Sn：8~9.6%，O：0.01~0.15%，RE：1.58~2.6%，Al：2.1~2.8%，C：1.2~1.8%，余量为Ti进行配料，其中Ti以海绵钛，Zr以海绵锆、Nb采用Ti-52Nb中间合金、Sn采用Ti-68Sn中间合金、RE采用混合稀土、Al和C采用Ti-Al-C中间合金，O为上述原料中残留元素；
（b）熔炼：将步骤（a）配好的料压制成电极，在真空自耗电弧炉中熔炼3~5次；
（c）均匀化退火：均匀化温度为950~978℃，保持时间为15~22h，退火后进行扒皮去除氧化层；
（d）锻造：锻造加热温度为960~1005℃，保温时间为86~100min，终锻温度为860~880℃；
（e）热轧：轧制不进行中间退火，轧制道次为8~10；
（f）冷轧：冷轧的总变形量为80%；
（g）固溶热处理：将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为830-850℃，保温时间为2~5h，水淬；
（h）时效热处理：分为如下五步：时效温度为300~320℃，保温时间为5~18min，水淬；再加热到400~420℃进行第二次时效处理，时效时间为1~1.8h，水淬；再加热到480~495℃进行第三次时效，时效时间为2~2.5h，水淬；再加热到520~550℃进行第四次时效，时效时间为5~8h，水淬；再加热到580~620℃进行第五次时效，水淬，得到高强度钛合金成品。
7.根据权利要求6所述的高强度钛合金的制备方法，其特征在于，时效热处理分为如下五步：时效温度为310℃，保温时间为8min，水淬；再加热到420℃进行第二次时效处理，时效时间为1h，水淬；再加热到485℃进行第三次时效，时效时间为2h，水淬；再加热到535℃进行第四次时效，时效时间为5h，水淬；再加热到610℃进行第五次时效，水淬，得到高强度钛合金成品。
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