CN109628796B - 一种高弹性高强度钛合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高弹性高强度钛合金，包括6～18wt％的Nb、0.1～0.5wt％的O和余量的Ti，所述钛合金的平均价电子浓度e/a为4.08～4.12，
Figure DDA0001951190900000011
值为2.41～2.44，
Figure DDA0001951190900000012
值为2.80～2.83，弹性模量为60～80GPa，抗拉强度850MPa以上，所述钛合金的组织主要为α+β两相。本发明还公开了一种上述高弹性高强度钛合金的制备方法及其应用。本发明的高弹性高强钛合金具有优异的力学性能，同时其熔炼难度较低，具有重要的理论意义和工程价值。

Description

一种高弹性高强度钛合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及先进钛合金领域，特别涉及一种高弹性高强度的含氧钛合金及其制备方法和应用。
背景技术
作为重要的结构和功能一体化材料，具有高弹性高强度的金属材料或合金在航空、航天、舰船、汽车工业、生物医用、精密仪器以及日用品等工领域具有广泛而重要的需求。钛合金因具有低密度、高比强、耐腐蚀、无磁、高生物相容等特性，在航空、航天、化工、舰船、医疗和日用品等工业领域得到广泛应用。但是，传统的α+β和近β钛合金虽然具有较高的强度，然而由于较高的弹性模量(90GPa～120GPa)，即，低的弹性性能，使其应用受到了限制。为此，高弹性高强度钛合金正在成为先进材料的研究前沿和热点，也是当前国际钛合金先进国家竞相发展的重要目标。
目前，高弹性高强度钛合金的研发主要通过合金化和形变强化，即在合金保持较低弹性模量的基础上，通过提高其屈服强度而获得高弹性钛合金(主要为亚稳/近β钛合金)。已经开发出Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O(Gum metal)、Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr等亚稳β钛合金，并已经或者逐渐被应用到生物医用领域中。这些合金大多数将氧元素看作有害的杂质元素，并对其含量进行控制。只有Gum metal主动添加较多含量氧元素，但该合金需要使用粉末冶金方法进行制备，并含有较多种成分，制备成本大大增加。
目前有关高弹性高强度钛合金的设计，为了使其弹性模量达到使用要求(60GPa左右)，大多数控制其合金的平均价电子浓度e/a值在4.24附近。然而，此种设计合金含有较多的β稳定元素(Ta、Nb等)和/或中性元素(Zr、Hf、Sn等)，使得此类合金都包含复杂的合金组成，在制备过程中容易引入杂质，造成元素偏析等现象，对合金性能产生影响，另外合金中含有较多的高熔点成分，从而提高了制备成本。另外有研究通过对钛合金冷加工，来控制合金的织构进而获得较好的力学性能，但是这种加工方法获得的合金性能有明显的各向异性。
因此需要研究开发新型低成本的高弹性高强钛合金，以解决上述问题。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种高弹性高强度钛合金，其包括Ti、Nb和O元素，通过合金元素组分设计，减少了钛合金原料种类，在降低制造成本的同时仍能满足弹性模量的要求，其平均价电子浓度e/a在约4.08-4.12范围内，
Figure BDA0001951190880000021
和
Figure BDA0001951190880000022
(两者顶部的横线代表平均的含义)的数值分别位于2.41～2.44和2.80～2.83的范围内。其中，本发明使用TiO2粉末添加O可使Ti-Nb合金产生显著的固溶强化效果，使得在不大幅度提高模量的同时提高强度。另外，本发明还添加了低熔点金属Fe、Sn和中性元素Zr以调控β稳定性，并起到强化作用。最终本发明通过合理设计TiNb(Zr、Sn)(Fe)O合金组分，使其β稳定性与Ti-14Nb(wt.％)相近，并经过一定的热机械处理手段获得稳定的α+β两相组织。最终合金的弹性模量达到60～80GPa，抗拉强度达到850MPa以上。
根据本发明的一方面，本发明提供一种高弹性高强度钛合金，包括6～18wt％的Nb、0.1～0.5wt％的O和余量的Ti，所述钛合金的平均价电子浓度e/a为4.08～4.12，
Figure BDA0001951190880000023
值为2.41～2.44，
Figure BDA0001951190880000024
值为2.80～2.83，弹性模量为60～80GPa，抗拉强度850Mpa以上，所述钛合金的组织主要为α+β两相。
在一些实施例中，所述钛合金可以包括，包括10～18wt％的Nb、0.1～0.3wt％的O和余量的Ti。
在一些实施例中，所述钛合金还可以包括0.5～3wt％的Fe。
在一些实施例中，所述钛合金还可以包括0.5～3wt％的Fe、2～6wt％的Zr、2～5wt％的Sn。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种上述钛合金的制备方法，包括如下步骤：
a.按目标成分比例，将所述钛合金的各金属元素铸锭或合金铸锭和TiO2粉末，利用真空非自耗电弧炉熔炼技术，制备钛合金铸锭；
b.将步骤a中制备的钛合金铸锭在900～1100℃下均匀化处理约2h，然后在600～750℃下进行热锻处理，得到钛合金板材；
c.将步骤b中得到的钛合金在500-700℃进行α+β两相区热变形，变形量为75～90％；
步骤a中，在利用真空非自耗电弧炉熔炼技术之前，对合成原料进行超声清洗、酸洗步骤，去除原料的表面杂质。
在一些实施例中，还包括：将热变形后的钛合金在600～800℃进行退火10～120min，氩气氛围保护，进行水冷或者空冷。
在一些实施例中，还包括：将退火后的钛合金板材在300～400℃进行时效30～60min，并进行水冷或者空冷。
本发明的钛合金经热处理后，合金最终的组织主要为α+β两相。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种上述高弹性高强钛合金的应用，其可用于制备生物医用人体植入体、高尔夫球具、高性能弹簧、紧固件及高弹性组合件等。
在一些实施例中，所述生物医用人体植入体可包括人工膝关节、股关节、股骨柄、腔骨、髓骨、螺钉、齿根等。
本发明的有益效果：
1)本发明的钛合金仅包括Ti、Nb和O三种元素，通过将三种元素组分设计为6～18wt％的Nb、0.1～0.5wt％的O和余量的Ti，使得在降低制造成本的同时使其弹性模量(60～80GPa)和抗拉强度(850Mpa以上)达到使用要求，其平均价电子浓度e/a在约4.08-4.12范围内，
Figure BDA0001951190880000031
和
Figure BDA0001951190880000032
(两者顶部的横线代表平均的含义)的数值分别位于2.41～2.44和2.80～2.83的范围内。
2)本发明的低模高强TiNb(Zr，Sn)(Fe)O合金，采用真空非自耗电弧炉熔炼，并进行均匀化、固溶、锻造、轧制、退火等处理获得合金板材。经过室温拉伸测试，合金的性能为：弹性模量60-80GPa，抗拉强度为850MPa以上。通过不同的合金组分及热处理方式，可以调配合金的微观组织主要为α+β相，进而控制其力学性能。
3)本发明采用成分简单的合金组成，减少了在制备过程中易引入杂质的问题，同时采用低熔点金属，降低了熔炼难度由此降低了制备成本，具有重要的理论意义和工程价值。
附图说明
图1为本发明的钛合金的XRD图谱。
图2为本发明的钛合金的拉伸曲线。
图3为本发明的退火态Ti-8Nb-2Fe-0.28O合金的金相图。
具体实施方式
以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：制备轧制态Ti-14.6Nb-0.16O合金
(1)准备高纯Ti锭、Nb锭、TiO2粉末原料，并按照以上合金成分比例配比，将原材料进行超声清洗、酸洗等步骤，去除表面杂质。将原料放入真空非自耗电弧炉内进行熔炼，熔炼成TiNbO铸锭。
(2)将上述TiNbO铸锭在1100℃均匀化处理2h，然后在600℃进行热锻处理，得到合金板材。
(3)将上述合金板材在600℃进行热轧处理，轧制量为80％。
本实施中制备的Ti-14.6Nb-0.16O合金的
Figure BDA0001951190880000041
为2.44，
Figure BDA0001951190880000042
为2.81，e/a为4.09。从图1的XRD图谱中可看出，获得的合金主要为α和β相。通过拉伸测试(见图2所示)，该钛合金的弹性模量为80GPa，抗拉强度为850MPa，延伸率为16％。
实施例2：制备时效态Ti-14.6Nb-0.16O合金
(1)准备高纯Ti锭、Nb锭、TiO2粉末原料，并按照以上合金成分比例配比，将原材料进行超声清洗、酸洗等步骤，去除表面杂质。将原料放入真空非自耗电弧炉内进行熔炼，熔炼成TiNbO铸锭。
(2)将上述铸锭在1100℃均匀化处理2h，然后在600℃进行热锻处理，得到合金板材；
(3)将上述合金板材在600℃进行热轧处理，轧制量为80％；
(4)将上述轧制后的板材在600℃进行退火60min，并进行空冷；
(5)将上述合金在350℃进行时效60min，并进行空冷。
本实施中制备的Ti-14.6Nb-0.16O合金的
Figure BDA0001951190880000051
为2.44，
Figure BDA0001951190880000052
为2.81，e/a为4.09。该合金主要为α和β相，并含有少量的ω相(见图1所示)。该合金的晶粒尺寸很细，大约为1μm左右。通过拉伸测试(见图2所示)，该钛合金的弹性模量为80GPa，抗拉强度为880MPa，延伸率为28％。
实施例3：制备退火态Ti-8Nb-2Fe-0.28O合金
(1)准备高纯Ti锭、Nb锭、Fe锭、TiO2粉末原料，并按照以上合金成分比例配比，将原材料进行超声清洗、酸洗等步骤，去除表面杂质。将原料放入真空非自耗电弧炉内进行熔炼，熔炼成铸锭。
(2)将上述铸锭在1100℃均匀化处理2h，然后在600℃进行热锻处理，得到合金板材。
(3)将上述合金板材在600℃进行热轧处理，轧制量为80％。
(4)将上述轧制后的板材在700℃进行退火30min，并进行水冷。
本实施中制备的Ti-8Nb-2Fe-0.28O合金的
Figure BDA0001951190880000053
为2.41，
Figure BDA0001951190880000054
为2.79，e/a为4.12。该合金主要为α和β相，以及少量ω相(见图1所示)。如图3所示，该合金中弥散分布很多细小的大约为1μm左右的α相。通过拉伸测试(见图2所示)，该合金的弹性模量为74GPa，抗拉强度为1029MPa，延伸率为21％。
实施例4：制备退火态Ti-14.6Nb-5Zr-4Sn-1Fe-0.33O合金
(1)准备高纯Ti锭、Nb锭、Zr锭、Sn锭、Fe锭、TiO2粉末原料，并按照以上合金成分比例配比，将原材料进行超声清洗、酸洗等步骤，去除表面杂质。将原料放入真空非自耗电弧炉内进行熔炼，熔炼成铸锭。
(2)将上述铸锭在1100℃均匀化处理2h，然后在600℃进行热锻处理，得到合金板材。
(3)将上述合金板材在600℃进行热轧处理，轧制量为80％。
(4)将上述轧制后的板材在620℃进行退火30min，并进行水冷。
本实施中制备的Ti-14.6Nb-5Zr-4Sn-1Fe-0.33O合金的
Figure BDA0001951190880000055
为2.43，
Figure BDA0001951190880000056
为2.80，e/a为4.12。该合金主要为α和β相，以及少量ω相(见图1所示)。通过拉伸测试(见图2所示)，该合金的弹性模量为61GPa，抗拉强度为972MPa，延伸率为18％。
应该理解，本发明并不限于上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高弹性高强度钛合金，其特征在于，包括6～18wt％的Nb、0.1～0.5wt％的O和余量的Ti，所述钛合金的平均价电子浓度e/a为4.08～4.12，
Figure FDA0002389760270000011
值为2.41～2.44，
Figure FDA0002389760270000012
值为2.80～2.83，弹性模量为60～80GPa，抗拉强度850MPa以上，所述钛合金的组织主要为α+β两相。
2.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，包括10～18wt％的Nb、0.1～0.3wt％的O和余量的Ti。
3.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，还包括0.5～3wt％的Fe。
4.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，还包括0.5～3wt％的Fe、2～6wt％的Zr、2～5wt％的Sn。
5.一种根据权利要求1-4之一所述的钛合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.按目标成分比例，将所述钛合金的各金属元素的铸锭或中间合金锭和TiO2粉末，利用真空非自耗电弧炉熔炼技术，制备钛合金铸锭；
b.将步骤a中制备的钛合金铸锭在900～1100℃下均匀化处理约2h，然后在600～750℃下进行热锻处理，得到钛合金锻造坯料；
c.将步骤b中得到的钛合金在500-700℃进行α+β两相区热变形，变形量为75～90％。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：将热变形后的钛合金在600～800℃进行退火10～120min，氩气氛围保护，进行水冷或者空冷。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：将退火后的钛合金板材在300～400℃进行时效30～60min，并进行水冷或者空冷。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述钛合金最终的组织主要为α+β两相。
9.一种根据权利要求1-4之一所述的钛合金的应用，其特征在于，其用于制备生物医用人体植入体、高尔夫球具、高性能弹簧、紧固件及高弹性组合件。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述生物医用人体植入体包括人工膝关节、股关节、股骨柄、腔骨、髓骨、螺钉、齿根。
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