一种Ti-N-O合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及新型金属材料与先进制造的技术领域,具体涉及一种Ti-N-O合 金材料及其制备方法。
背景技术
钛及钛合金以其比强度高,耐高温等特点广泛应用于航空航天领域,同时 其具有优异的耐腐蚀性能和良好的生物相容性,又成为航海,石油,化工和医 药等行业的理想材料。高强度多功能钛合金一直是钛基材料的发展方向。相较 于普通钛合金材料,钛基复合材料具有更高的比强度和硬度以及耐高温和耐腐 蚀性能,可用于高温高压等严酷的环境下的结构材料,被认为是提高钛合金性 能的新材料,并拥有更广阔的应用前景。
Ti-N-O合金材料已经被证明是一种兼备力学性能,光催化性能和血液相容 性的新型钛基功能材料。并在光催化和生物医学等领域被广泛的研究。目前对 Ti-N-O合金的制备于性能展开了广泛的研究。
目前Ti-N-O合金材料的制备方法主要有化学气相沉积,磁控溅射和过滤弧 沉积等,这些制备方法制备成本高,生产效率低,远远达不到工业需求。以磁 控溅射为例,溅射镀膜采用Ar、O2、N2混合气体,其中Ar分压固定为2.0×10-1Pa,N2分压固定为2.0×10-2Pa,通过氧分压在0-0.8×10-2Pa之间改变制备出一系列不 同氧含量的Ti-N-O涂层。制备过程中Ti靶的溅射功率为0.5A,溅射时间为1h, 基片不加热,亦不施加负偏压,各涂层厚度仅约为3μm。
其次,目前的Ti-N-O合金材料的制备技术均为制备一层Ti-N-O涂层,以 达到具备高硬度,高耐磨,生物相容性和光催化性能。但是在零件表面制备 Ti-N-O涂层存在诸多不利影响,比如薄膜存在较大内应力导致表面脆性提升, 以及表面缺陷导致表面性能不均匀,薄膜在沉积形成成长过程中由于入射的气 相原子的无规律性导致表面具有一定的粗糙度,并且容易出现成分偏析问题等 等。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种Ti-N-O合金材料及其制 备方法,解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种Ti-N-O合金材料,其特 征在于,该合金材料由如下重量百分含量的组分组成:Ti:75-85%;N:5-15%; O:5-15%。
优选的,所述的合金材料由如下重量百分含量的组分组成:Ti:77-83%;N: 7-12%;O:8-10%。
一种Ti-N-O合金材料的制备方法,具体步骤如下:
S1,称取粒径为50-100微米的球形纯Ti粉末,平铺在装有圆环形不锈钢 网的工装上;
S2,将逐层铺好粉末的工装放入室温条件下的井式气体热处理炉中,然后向 炉中分别通入氨气和空气,并升温加热;
S3,待温度升至650-750℃后,对粉末进行氮氧共渗处理,共渗处理后,并 持续通入氨气和空气,粉末随炉冷却至室温,取出粉末,该粉末为Ti-N-O合金 粉末;
S4,将制备的Ti-N-O合金粉末放入圆筒形的石墨模具中,Ti-N-O合金粉末 与石墨模具之间用石墨纸隔开,在20MPa的轴向压力下进行预压成型,然后再 在1000-1200℃的真空条件下烧结,烧结后获得致密的块体Ti-N-O合金材料, 随炉冷却至室温后取出。
优选的,所述步骤S1中的球形纯Ti粉末选用纯度为99.9%的高纯钛合金为 原材料,通过旋转电极的方法在高真空下制备而成,所述圆环形不锈钢网的内 径和外径的比值为0.2-0.5,平铺在不锈钢网上的粉末的厚度为1-3毫米,每层 粉末的间距为50-100毫米。
优选的,所使用的保护气氛和渗氮气体为干燥处理的氨气和净化干燥处理 的空气的混合气体。
优选的,若热处理炉内部空间的体积为1立方米,则通入炉内干燥处理的 氨气的气体流量为8-10立方米/小时,净化干燥处理的空气的流量为0.5-2立 方米/小时。
优选的,所述步骤S3中的氮氧共渗处理时间为20min-5h。
优选的,在升温、保温和冷却三个过程中全程通入的氨气和空气是经过干 燥处理后的氨气和经过净化干燥处理后的空气,保证粉末处于纯净气氛中。
优选的,所述步骤S4中烧结过程中施加轴向压力为50-80MPa,升温速度≧ 100℃/min,保温时间≦5min。
优选的,所述烧结后获得致密的块体Ti-N-O合金材料,孔隙率≦1%,且具 有高的致密性,密度可达4.5g/cm3,具有较高的硬度和强度,其硬度为648HV, 压缩强度为1744MPa。
本发明的有益效果是:
1.本发明采用干燥的氨气和净化的氧气为共渗气氛,极大的降低了材料制 备成本,同时采用气体共渗技术,能够根据生产需要,调节炉腔大小和粉末放 入量,极大的提升了制备效率。为Ti-N-O合金材料的工业应用打下坚实的基础。 除此之外,在Ti-N-O合金粉末制备的整个过程中,将井式气体热处理炉产生的 尾气通入温度为750℃的管式炉中加热,加热后经充分燃烧后,将燃烧产生的氮 气和水蒸气等无毒无害的气体排入大气中,所以本实验过程中具备环境保护生 产的特性,不产生任何有害气体,液体或者固体。
2.本发明制备了一种成分组织均匀的一种致密的块体Ti-N-O合金材料,有 效解决了现有技术中薄膜存在的问题,除此之外,由于块体致密材料的特点, 材料整体均具有优异的力学性能,高硬度,高耐磨,耐腐蚀性能,生物相容性 和光催化性能,在生产以及应用时具有更加巨大的优势,并且在共渗过程中可 以通过调节氨气和空气的比例、共渗时间、温度等参数,可以实现对Ti-N-O合 金粉末中N、O元素含量及比例的控制,实现多种氮、氧含量及比例Ti-N-O合 金粉末的制备。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图;
图2制备的纯钛粉末和Ti-N-O复合粉末的微观形貌;
图3制备的纯钛粉末和Ti-N-O复合粉末的X射线衍射图谱;
图4块体Ti-N-O合金微观形貌和压缩应力应变曲线;
图中,1-纯钛粉;2-不锈钢网;3-工装;4-氨气瓶;5-感压表;6-干燥装 置;7-流量计;8-管式加热炉;9-点燃;10-流量计;11-井式炉;12-净化装置; 13-空气泵;14-上压头;15-石墨模具;16-Ti-N-O合金粉末;17-下压头;18- 块体Ti-N-O合金材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4,本发明提供一种技术方案:一种Ti-N-O合金材料,其特征 在于,该合金材料由如下重量百分含量的组分组成:Ti:75-85%;N:5-15%;O: 5-15%。
进一步的,所述的合金材料由如下重量百分含量的组分组成:Ti:77-83%; N:7-12%;O:8-10%。
一种Ti-N-O合金材料的制备方法,具体步骤如下:
S1,称取粒径为50-100微米的球形纯Ti粉末,平铺在装有圆环形不锈钢 网的工装上;
S2,将逐层铺好粉末的工装放入室温条件下的井式气体热处理炉中,然后向 炉中分别通入氨气和空气,并升温加热;
S3,待温度升至650-750℃后,对粉末进行氮氧共渗处理,共渗处理后,并 持续通入氨气和空气,粉末随炉冷却至室温,取出粉末,该粉末为Ti-N-O合金 粉末;
S4,将制备的Ti-N-O合金粉末放入圆筒形的石墨模具中,Ti-N-O合金粉末 与石墨模具之间用石墨纸隔开,在20MPa的轴向压力下进行预压成型,然后再 在1000-1200℃的真空条件下烧结,烧结后获得致密的块体Ti-N-O合金材料, 随炉冷却至室温后取出,在Ti-N-O合金粉末制备的整个过程中,将井式气体热 处理炉产生的尾气通入温度为750℃的管式炉中加热,加热后经充分燃烧后,排 入大气中。
进一步的,所述步骤S1中的球形纯Ti粉末选用纯度为99.9%的高纯钛合金 为原材料,通过旋转电极的方法在高真空下制备而成,粉末球形度好,纯净度 高,无空心粉,所述圆环形不锈钢网的内径和外径的比值为0.2-0.5,平铺在不 锈钢网上的粉末的厚度为1-3毫米,每层粉末的间距为50-100毫米,这样可以 保证粉末在进行气体氮氧共渗的过程中与气氛充分接触,保证粉末经气体氮氧 共渗处理后纯钛粉末获得均匀的渗层。
进一步的,所使用的保护气氛和渗氮气体为干燥处理的氨气和净化干燥处 理的空气的混合气体。
进一步的,若热处理炉内部空间的体积为1立方米,则通入炉内干燥处理 的氨气的气体流量为8-10立方米/小时,净化干燥处理的空气的流量为0.5-2 立方米/小时。
进一步的,所述步骤S3中的氮氧共渗处理时间为20min-5h。
进一步的,在升温、保温和冷却三个过程中全程通入的氨气和空气是经过 干燥处理后的氨气和经过净化干燥处理后的空气,保证粉末处于纯净气氛中, 可以避免水蒸气等杂质气体进入,影响共渗后的粉末质量。
进一步的,所述步骤S4中烧结过程中施加轴向压力为50-80MPa,升温速度 ≧100℃/min,保温时间≦5min。
进一步的,所述烧结后获得致密的块体Ti-N-O合金材料,孔隙率≦1%,且 具有高的致密性,密度可达4.5g/cm3,具有较高的硬度和强度,其硬度为648HV, 压缩强度为1744MPa。
在共渗过程中可以通过调节氨气和空气的比例、共渗时间、温度等参数, 可以实现对Ti-N-O合金粉末中N、O元素含量及比例的控制,实现多种氮、氧 含量及比例Ti-N-O合金粉末的制备。
实施例1
一种Ti-N-O合金材料的制备方法,称取3份平均粒径为50-100微米的纯 钛粉末,每份10-30克,将三份粉末分别平铺于装有圆环形不锈钢网的工装上, 圆环形不锈钢网的内径和外径的比值为0.2-0.5,每层粉末的保持一定的间距, 以保证气氛充分流通。然后将工装放置入井式炉中,通入共渗气氛氨气的气体 流量为8立方米/小时,净化干燥处理的空气的流量为0.5立方米/小时。按比 例通入氨气和空气后,将井式气体热处理炉的温度由室温升至目标温度700℃, 对粉末进行N、O共渗处理,共渗时间为2小时,共渗处理后,在同比例的氨气 和空气的保护下冷至室温,取出粉末,由此可获得Ti-N-O合金粉末。采用粉末 冶金的方法将制备的Ti-N-O合金粉末放入圆筒形的模具中,在20MPa的轴向压 力下进行预压成型,然后再在1100℃的真空条件下烧结,烧结时施加在粉末上 的轴向压力为50MPa。烧结后可获得致密的块体Ti-N-O合金材料,其密度可达 4.5g/cm3,具有较高的硬度和强度,其硬度为648HV,压缩强度为1744MPa。
实施例2
一种Ti-N-O合金材料的制备方法,称取3份平均粒径为50-100微米的纯 钛粉末,每份10-30克,将三份粉末分别平铺于装有圆环形不锈钢网的工装上, 圆环形不锈钢网的内径和外径的比值为0.2-0.5,每层粉末的保持一定的间距, 以保证气氛充分流通。然后将工装放置入井式炉中,通入共渗气氛氨气的气体 流量为8立方米/小时,净化干燥处理的空气的流量为2立方米/小时。按比例 通入氨气和空气后,将井式气体热处理炉的温度由室温升至目标温度700℃,对 粉末进行N、O共渗处理,共渗时间为2小时,共渗处理后,在同比例的氨气和 空气的保护下冷至室温,取出粉末,由此可获得Ti-N-O合金粉末。采用粉末冶 金的方法将制备的Ti-N-O合金粉末放入圆筒形的模具中,在20MPa的轴向压力 下进行预压成型,然后再在1100℃的真空条件下烧结,烧结时施加在粉末上的 轴向压力为50MPa。烧结后可获得致密的块体Ti-N-O合金材料,其密度可达 4.5g/cm3,具有较高的硬度和强度,其硬度为671HV,压缩强度为1806MPa。
实施例3
一种Ti-N-O合金材料的制备方法,称取3份平均粒径为50-100微米的纯 钛粉末,每份10-30克,将三份粉末分别平铺于装有圆环形不锈钢网的工装上, 圆环形不锈钢网的内径和外径的比值为0.2-0.5,每层粉末的保持一定的间距, 以保证气氛充分流通。然后将工装放置入井式炉中,通入共渗气氛氨气的气体 流量为10立方米/小时,净化干燥处理的空气的流量为0.5立方米/小时。按比 例通入氨气和空气后,将井式气体热处理炉的温度由室温升至目标温度700℃, 对粉末进行N、O共渗处理,共渗时间为2小时,共渗处理后,在同比例的氨气 和空气的保护下冷至室温,取出粉末,由此可获得Ti-N-O合金粉末。采用粉末冶金的方法将制备的Ti-N-O合金粉末放入圆筒形的模具中,在20MPa的轴向压 力下进行预压成型,然后再在1100℃的真空条件下烧结,烧结时施加在粉末上 的轴向压力为50MPa。烧结后可获得致密的块体Ti-N-O合金材料,其密度可达 4.5g/cm3,具有较高的硬度和强度,其硬度为692HV,压缩强度为1866MPa。
实施例4
一种Ti-N-O合金材料的制备方法,称取3份平均粒径为50-100微米的纯 钛粉末,每份10-30克,将三份粉末分别平铺于装有圆环形不锈钢网的工装上, 圆环形不锈钢网的内径和外径的比值为0.2-0.5,每层粉末的保持一定的间距, 以保证气氛充分流通。然后将工装放置入井式炉中,通入共渗气氛氨气的气体 流量为10立方米/小时,净化干燥处理的空气的流量为2立方米/小时。按比例 通入氨气和空气后,将井式气体热处理炉的温度由室温升至目标温度700℃,对 粉末进行N、O共渗处理,共渗时间为2小时,共渗处理后,在同比例的氨气和 空气的保护下冷至室温,取出粉末,由此可获得Ti-N-O合金粉末。采用粉末冶金的方法将制备的Ti-N-O合金粉末放入圆筒形的模具中,在20MPa的轴向压力 下进行预压成型,然后再在1100℃的真空条件下烧结,烧结时施加在粉末上的 轴向压力为50MPa。烧结后可获得致密的块体Ti-N-O合金材料,其密度可达 4.5g/cm3,具有较高的硬度和强度,其硬度为688HV,压缩强度为1884MPa。
实施例5
一种Ti-N-O合金材料的制备方法,称取3份平均粒径为50-100微米的纯 钛粉末,每份10-30克,将三份粉末分别平铺于装有圆环形不锈钢网的工装上, 圆环形不锈钢网的内径和外径的比值为0.2-0.5,每层粉末的保持一定的间距, 以保证气氛充分流通。然后将工装放置入井式炉中,通入共渗气氛氨气的气体 流量为10立方米/小时,净化干燥处理的空气的流量为0.5立方米/小时。按比 例通入氨气和空气后,将井式气体热处理炉的温度由室温升至目标温度750℃, 对粉末进行N、O共渗处理,共渗时间为2小时,共渗处理后,在同比例的氨气 和空气的保护下冷至室温,取出粉末,由此可获得Ti-N-O合金粉末。采用粉末冶金的方法将制备的Ti-N-O合金粉末放入圆筒形的模具中,在20MPa的轴向压 力下进行预压成型,然后再在1100℃的真空条件下烧结,烧结时施加在粉末上 的轴向压力为50MPa。烧结后可获得致密的块体Ti-N-O合金材料其密度可达 4.5g/cm3,具有较高的硬度和强度,其硬度为621HV,压缩强度为1712MPa。
实施例6
一种Ti-N-O合金材料的制备方法,称取3份平均粒径为50-100微米的纯 钛粉末,每份10-30克,将三份粉末分别平铺于装有圆环形不锈钢网的工装上, 圆环形不锈钢网的内径和外径的比值为0.2-0.5,每层粉末的保持一定的间距, 以保证气氛充分流通。然后将工装放置入井式炉中,通入共渗气氛氨气的气体 流量为10立方米/小时,净化干燥处理的空气的流量为0.5立方米/小时。按比 例通入氨气和空气后,将井式气体热处理炉的温度由室温升至目标温度650℃, 对粉末进行N、O共渗处理,共渗时间为2小时,共渗处理后,在同比例的氨气 和空气的保护下冷至室温,取出粉末,由此可获得Ti-N-O合金粉末。采用粉末冶金的方法将制备的Ti-N-O合金粉末放入圆筒形的模具中,在20MPa的轴向压 力下进行预压成型,然后再在1100℃的真空条件下烧结,烧结时施加在粉末上 的轴向压力为50MPa。烧结后可获得致密的块体Ti-N-O合金材料,其密度可达 4.5g/cm3,具有较高的硬度和强度,其硬度为658HV,压缩强度为1752MPa。
实施例7
一种Ti-N-O合金材料的制备方法,称取3份平均粒径为50-100微米的纯 钛粉末,每份10-30克,将三份粉末分别平铺于装有圆环形不锈钢网的工装上, 圆环形不锈钢网的内径和外径的比值为0.2-0.5,每层粉末的保持一定的间距, 以保证气氛充分流通。然后将工装放置入井式炉中,通入共渗气氛氨气的气体 流量为10立方米/小时,净化干燥处理的空气的流量为0.5立方米/小时。按比 例通入氨气和空气后,将井式气体热处理炉的温度由室温升至目标温度700℃, 对粉末进行N、O共渗处理,共渗时间为4小时,共渗处理后,在同比例的氨气 和空气的保护下冷至室温,取出粉末,由此可获得Ti-N-O合金粉末。采用粉末冶金的方法将制备的Ti-N-O合金粉末放入圆筒形的模具中,在20MPa的轴向压 力下进行预压成型,然后再在1100℃的真空条件下烧结,烧结时施加在粉末上 的轴向压力为50MPa。烧结后可获得致密的块体Ti-N-O合金材料,其密度可达 4.5g/cm3,具有较高的硬度和强度,其硬度为695HV,压缩强度为1824MPa。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员 来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部 分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等 同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。