CN115044803B - 一种三相组织钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三相组织钛合金及其制备方法，钛合金的组织结构由α相、β相和α〃相组成，按质量百分比计，所述钛合金的成分由以下元素组成：Nb：30～38％，Sn：2～4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。本发明通过特定的合金元素配比以及制备工艺使得制备的钛合金具有特定的三相组织结构，制备工艺简单，合金元素种类添加少，易于控制和制造，并且制备得到的钛合金具有低弹性模量的同时还兼备高强度和良好的塑性。

Description

一种三相组织钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，尤其涉及一种三相组织钛合金及其制备方法。
背景技术
传统钛合金根据组织结构组成主要分为三种，一种为α型钛合金，一种为β型钛合金，还有一种为α+β双相钛合金。其中，α型钛合金的塑性变形能力差、强度中等，但是其耐腐蚀和抗氧化能力强，蠕变抗性好；β型钛合金在具备较高强度的同时，机械焊接加工性能优异；α+β双相钛合金由于结合了α型钛合金和β型钛合金的优良性能，并且互相弥补了彼此性能上的不足，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和耐腐蚀、抗氧化能力，还能进行淬火、时效使合金强化，进一步提高强度。而钛及钛合金因其具有良好的生物相容性，在人体硬组织替代部件中展示了良好的应用潜能。现有研究普遍认为，不同组织结构的钛合金中，β型钛合金(弹性模量为60-80GPa)，低于α型钛合金的弹性模量(弹性模量为100-120GPa)和α+β双相钛合金的弹性模量(弹性模量为80-120GPa)，更为接近于人骨的弹性模量(弹性模量为4-30GPa)，在生物医用领域具有更为广泛的应用前景。为了获得β单相钛合金，研究者通常通过添加β稳定元素Nb、Zr、Sn、Mo等元素，使其获得低弹性模量的医用植入β单相钛合金，但β稳定元素的添加随之使得它们的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度明显降低，极大的限制了它们在具有承载要求的硬组织替代部件的应用。
申请号为201910147094.8的中国专利申请，公开了一种表面改性钛合金及其制备方法和应用，该制备方法包括如下步骤：将单相结构的钛合金的表面进行激光重熔处理形成重熔层，单相结构的钛合金为β型Ti-29Nb-13Ta-5Zr钛合金单相结构，单相结构的钛合金为深冷加工态的钛合金，冷加工变形率为60％以上，上述制备方法制得的表面改性钛合金能够在保持强度的基础上降低钛合金的弹性模量。然而该工艺需要先将钛合金进行深冷加工变形，再通过激光重熔工艺，工艺复杂，同时添加的合金元素多，导致成本升高，虽然最后制备的弹性模量能够达到55GPa，但极限拉应力为705MPa，屈服强度为150MPa，强度仍需提高。专利申请号为201710018778.9的中国专利申请公开了一种生物医用多孔钛合金及制方法，所述多孔钛合金的组份以重量百分比计算为：Nb：20wt％～22wt％；Zr：6wt％～8wt％；Mo：4wt％～6wt％；余量为Ti；其中：所述的多孔钛合金的孔隙率为19.4～34.3％，孔的直径d尺寸为：0<d≤150μm，所述多孔钛合金的抗压强度为331～552MPa，弹性模量为10.8～25.4GPa。一方面添加的合金元素多，导致材料成本升高，另一方面多孔材料使得钛合金的弹性模量进一步降低，同样使得钛合金的抗压强度进一步降低，无法满足硬组织替代部件的材料性能要求。
发明内容
为了改善钛合金弹性模量高、强度低的问题，本发明提供一种三相组织钛合金及其制备方法。
第一方面，本发明提供一种三相组织钛合金，采用以下技术方案：
一种三相组织钛合金，钛合金的组织结构由α相、β相和α〃相组成，按质量百分比计，所述钛合金的成分由以下元素组成：Nb：30～38％，Sn：2～4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
可选的，按质量百分比计，所述钛合金的成分由以下元素组成：Nb：33～38％，Sn：2～4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
可选的，按质量百分比计，所述钛合金的成分由以下元素组成：Nb：33％，Sn：4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
可选的，钛合金的组织结构中，β相为基底相，α相和α〃相分散在基底相中，α相和α〃相的尺寸为300nm-1200nm。
可选的，所述钛合金的拉伸强度为836～975MPa，延伸率为8.4～12.7％，压缩强度为1724～1882MPa，断裂应变为39～47％，弹性模量为48～70GPa，致密度为99.7～99.8％。
第二方面，本发明提供一种三相组织钛合金的制备方法，采用以下技术方案，
一种三相组织钛合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.按质量百分比计，按照成分配比Nb：30～38％、Sn：2～4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素，称量原料粉末；
步骤2.将原料粉末进行低温球磨，球磨的温度为-60℃～-30℃，得到球磨粉体；
步骤3.将球磨粉体进行放电等离子烧结制备得到钛合金。
可选的，按质量百分比计，按照成分配比Nb：33～38％、Sn：2～4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素，称量原料粉末。
可选的，所述原料粉末为高纯Ti粉、Nb粉、Sn粉，原料的纯度≥99.9wt％，粉末的平均粒径为30～60微米。
可选的，所述低温球磨采用液氮冷却，球磨的温度为-45℃～-30℃。
可选的，所述球磨粉体装填于石墨模具中放置在放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结真空度＜80Pa，烧结压力为30～50MPa，烧结温度为950～1200℃，保温烧结时间为5～15min。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.本发明提供一种三相组织钛合金，仅需要通过添加Nb元素和Sn元素结合特定的元素配比和特定的制备工艺，能够制备得到特定相组织结构的钛合金，钛合金的相组织结构由α相、β相和α〃相组成，该种结构的钛合金具有高强度、良好塑性的同时兼备低弹性模量，制备得到的钛合金的拉伸强度为836～975MPa，延伸率为8.4～12.7％，压缩强度为1724～1882MPa，断裂应变为39～47％，弹性模量为48～70GPa。
2.本发明提供了一种三相组织钛合金的制备方法，合金元素种类少，降低成本的同时，提高生产工艺的可控性。利用特定的低温球磨工艺结合放电等离子烧结，工艺简单，制备得到的钛合金结构致密度高(99.7％以上)，三相组织结构分布均匀，晶粒细小，同时由于低温球磨不需要加入球磨助剂，避免了碳化物的引入而导致弹性模量升高。
3.本发明提供了一种三相组织钛合金，不含有毒元素，在人体组织中呈惰性，且与人体具有良好的生物相容性，同时合金的弹性模量和力学性能可以通过合金成分和制备工艺来调控，制备出不同性能组合的生物医用钛合金材料，满足不同领域的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的钛合金的XRD图谱。
图2为本发明实施例1制备的钛合金的微观形貌。
图3为本发明实施例1制备的钛合金的压缩应力应变曲线。
图4为本发明实施例1制备的钛合金的拉伸应力应变曲线。
图5为本发明实施例2制备的钛合金的XRD图谱。
图6为本发明实施例3制备的钛合金的XRD图谱。
图7为本发明对比例1制备的钛合金的XRD图谱。
图8为本发明对比例2制备的钛合金的XRD图谱。
图9为本发明对比例5制备的钛合金的XRD图谱。
图10为本发明对比例6制备的钛合金的XRD图谱。
具体实施方式
钛及钛合金因其具有良好的生物相容性，在人体硬组织替代部件中展示了良好的应用潜能。钛合金按照组织结构的类型主要分为三种，一种为α型钛合金，一种为β型钛合金，还有一种为α+β双相钛合金。其中，α型钛合金的塑性变形能力差、强度中等，但是其耐腐蚀和抗氧化能力强，蠕变抗性好；β型钛合金在具备较高强度的同时，机械焊接加工性能优异；α+β双相钛合金由于结合了α型钛合金和β型钛合金的优良性能，并且互相弥补了彼此性能上的不足，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和耐腐蚀、抗氧化能力，还能进行淬火、时效使合金强化，进一步提高强度。现有研究普遍认为，三种相结构组成的钛合金中，β型钛合金(弹性模量为60-80GPa)，低于α型钛合金的弹性模量(弹性模量为100-120GPa)和α+β双相钛合金的弹性模量(弹性模量为80-120GPa)，更为接近于人骨的弹性模量(弹性模量为4-30GPa)，在生物医用领域具有更为广泛的应用前景。为了获得β单相钛合金，研究者通常通过添加β稳定元素Nb、Zr、Sn、Mo等元素，使其获得低弹性模量的医用植入β单相钛合金，一方面，β稳定元素的添加随之使得它们的抗拉强度、屈服强度和疲劳强度明显降低，另一方面，合金元素添加种类增加，使得成本增高，并且生产过程中的可控难度提高，极大的限制了它们在具有承载要求的硬组织替代部件的应用。
发明人经过长期研究发现，结合特定的低温球磨工艺和放电等离子烧结工艺，通过添加特定配比Nb和Sn组分能够得到一种三相组织钛合金，具有高的强度、良好塑性的同时，兼备低的弹性模量，弥补了钛合金研究中关于三相组织钛合金应用于生物医用领域作为人体硬组织替代部件材料的研究空缺。本发明就是在此研究基础上得到的。
本发明提供一种三相组织钛合金，钛合金的组织结构由α相、β相和α〃相组成，按质量百分比计，所述钛合金的成分由以下元素组成：Nb：30～38％，Sn：2～4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。其中，α相为密排六方晶体结构，β相为体心立方结构，α〃相为斜方晶体结构，三种组织结构各自发挥优势，协同作用，使得制备得到的钛合金具有高强度、良好塑性以及低的弹性模量，满足人体硬组织替代部件的材料使用性能。优选的，按质量百分比计，Nb为30％，31％，32％，33％，34％，35％，36％，37％，38％，更优选的，Nb为33～34％，33～35％，33～36％，33～37％，33～38％，最优选的Nb为33％；优选的Sn为2％，3％，4％，2～3％，2～4％，最优选的，Sn为4％。钛合金的组织结构中，β相为基底相，α相和α〃相分散在基底相中，α相和α〃相的尺寸为300nm-1200nm。
本发明提供的一种三相组织钛合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.按质量百分比计，按照成分配比Nb：30～38％、Sn：2～4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素，称量原料粉末；
步骤2.将原料粉末进行低温球磨，球磨的温度为-60℃～-30℃，得到球磨粉体；
步骤3.将球磨粉体进行放电等离子烧结制备得到钛合金。
具体的，步骤1中以高纯钛粉、铌粉、锡粉为原料，各原料的纯度均大于等于99.9wt％，各原料粉末的平均粒径为30～60微米。优选的，各原料粉末的平均粒径为30微米，35微米，40微米，45微米，50微米，55微米，60微米；更优选的，各原料粉末的平均粒径为45微米，50微米，55微米。按照上述质量比计算出各纯金属粉末的质量并进行称量。
具体的，步骤2中将各原料粉末装填于真空不锈钢球磨罐中，抽真空至小于10Pa，充氩气至常压，随后将真空不锈钢球磨罐放置于行星式高能球磨机上在液氮冷却下进行低温球磨合金化，利用可控制流量的液氮罐给球磨机持续通入液氮，通过调节液氮流量为5～15L/h使球磨罐球磨温度为-60℃～-30℃，优选为-60℃，-55℃，-50℃，-45℃，-40℃，-35℃，-30℃，-45℃～-30℃。优选的，液氮流量为5L/h，6L/h，7L/h，8L/h，9L/h，10L/h，11L/h，12L/h，13L/h，14L/h，15L/h，5～9L/h，9～15L/h。球磨时间为6～20小时，优选为8-15h，8h，9h，10h，11h，12h，13h，14h，15h。低温球磨能够避免加入球磨助剂，如乙醇、硬脂酸等，从而避免在制备的钛合金中引入高弹性模量的FCC相导致弹性模量上升。球磨的球料比为7:1～12:1，优选为7:1，8:1，9:1，10:1，11:1，12:1。球磨转速为300～400r/min，优选为300r/min，350r/min，400r/min。球磨后将球磨罐放置在真空手套箱中取出球磨后的合金化粉末，然后将合金化粉末装填于石墨模具中，随后将装填有合金化粉末的石墨模具从真空手套箱中取出，进行后续放电等离子烧结工艺。
具体的步骤3中，将步骤2装填有合金化粉末的石墨模具放置在放电等离子烧结设备中，持续抽真空使烧结炉中的气压＜80Pa，然后通过上下压头在石墨模具上施加30～50MPa的压力，优选的烧结压力为30MPa，35MPa，40MPa，45MPa，50MPa，更优选的，烧结压力为40MPa，45MPa，50MPa。烧结以80～120℃/min的升温速率升温至950～1200℃，保温烧结5～15min，优选的升温速率为80℃/min，90℃/min，100℃/min，110℃/min，120℃/min，更优选的升温速率为90℃/min，100℃/min，110℃/min。优选的，烧结温度为950℃，1000℃，1050℃，1100℃，1150℃，1200℃，更优选的烧结温度为1050℃。优选的，保温烧结时间为5min，10min，15min，最优选为10min。烧结结束后继续抽真空随炉冷却至室温，脱模后即得到钛合金。
以下结合实施例进行详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种三相组织钛合金的制备方法，具体制备步骤如下所示：
步骤1.称量原料粉末
以高纯钛粉、铌粉、锡粉为原料(各原料的纯度均大于等于99.9wt％，各原料粉末粒度为45μm)，按质量百分比计，具体成分如下：Nb为33％，Sn为4％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。按照上述质量比计算出各纯金属粉末的质量并进行称量。
步骤2.低温球磨
将步骤1称量好的各原料粉末装填于真空不锈钢球磨罐中抽真空至小于10Pa，然后充氩气至常压，随后将真空不锈钢球磨罐放置于行星式高能球磨机(QM-DY4，南京南大仪器有限公司)上在液氮冷却下进行低温球磨合金化，通过调节液氮流量大小为9L/h使球磨罐的球磨温度为-45℃，球磨时间为10h，球料比为10:1，球磨转速为400r/min。球磨后将球磨罐放置在真空手套箱(Super，米开罗那，手套箱抽真空至-0.1MPa后充氩气至常压)中取出球磨后的合金化粉末，然后将合金化粉末装填于石墨模具中，随后将装填有合金化粉末的石墨模具从真空手套箱中取出，进行后续烧结工艺。
步骤3.放电等离子烧结制备钛合金
将步骤2装填有合金化粉末的石墨模具放置在放电等离子烧结设备(LABOX-350，日本)中，持续抽真空使烧结炉中的气压＜80Pa，然后通过上下压头在石墨模具上施加50MPa的压力，以100℃/min的升温速率升温至1050℃保温烧结10min，烧结结束后继续抽真空随炉冷却至室温，脱模后即得到钛合金。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例2中按质量百分比计，具体成分如下：Nb为34％，Sn为4％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于，实施例3中按质量百分比计，具体成分如下：Nb为36％，Sn为4％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。
实施例4
实施例4与实施例1的不同之处在于，实施例4中按质量百分比计，具体成分如下：Nb为38％，Sn为4％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。
实施例5
实施例5与实施例1的不同之处在于，实施例5中按质量百分比计，具体成分如下：Nb为38％，Sn为3％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。
实施例6
实施例6与实施例1的不同之处在于，实施例6中按质量百分比计，具体成分如下：Nb为38％，Sn为2％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。
实施例7
实施例7与实施例1的不同之处在于，实施例7步骤3中，放电等离子的烧结温度为950℃。
实施例8
实施例8与实施例1的区别在于：实施例8中步骤3中，放电等离子烧结温度为1200℃。
实施例9
实施例9与实施例1的不同之处在于，实施例9步骤3中，放电等离子的烧结压力为30MPa。
实施例10
实施例10与实施例1的不同之处在于，实施例10中，步骤2中低温球磨工艺中通过调节液氮流量大小为5L/h使球磨罐的球磨温度为-30℃。
实施例11
实施例11与实施例1的不同之处在于，实施例11中，步骤2中低温球磨工艺中通过调节液氮流量大小为15L/h使球磨罐的球磨温度为-60℃。
对比例1
对比例1与实施例1的区别之处在于：步骤2.球磨工艺采用普通球磨，在室温(25℃)条件下进行，并且为了防止金属粉末在球磨过程中发生冷焊，加入无水乙醇作为球磨助剂，具体制备步骤如下所示：
步骤1.称量原料粉末
以高纯钛粉、铌粉、锡粉为原料(各原料的纯度均大于等于99.9wt％，各原料粉末粒度为45μm)，按质量百分比计，具体成分如下：Nb为33％，Sn为4％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。按照上述质量比计算出各纯金属粉末的质量并进行称量。
步骤2.低温球磨
将步骤1称量好的各原料粉末装填于真空不锈钢球磨罐中，加入无水乙醇，无水乙醇的加入量为Ti-Nb-Sn金属原料粉末总和的3wt％，抽真空至小于10Pa，然后充氩气至常压，随后将真空不锈钢球磨罐放置于行星式高能球磨机(QM-DY4，南京南大仪器有限公司)上在室温条件下进行球磨合金化，球磨时间为10h，球料比为10:1，球磨转速为400r/min。球磨后将球磨罐放置在真空手套箱(Super，米开罗那，手套箱抽真空至-0.1MPa后充氩气至常压)中取出球磨后的合金化粉末，然后将合金化粉末装填于石墨模具中，随后将装填有合金化粉末的石墨模具从真空手套箱中取出，进行后续烧结工艺。
步骤3.放电等离子烧结制备钛合金，采用与实施例1相同的制备步骤。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于：对比例2中按质量百分比计，具体成分如下：Nb为40％，Sn为4％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。
对比例3
对比例3与实施例1的之处区别在于：对比例3中按质量百分比计，具体成分如下：Nb为38％，Sn为6％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于：对比例4中步骤3中放电等离子烧结温度为850℃。
对比例5
对比例5与实施例4的区别在于：对比例5中按质量百分比计，具体成分如下：Nb为38％，Sn为0％，Zr为4％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。
对比例6
对比例6与实施例4的区别在于：对比例6中按质量百分比计，具体成分如下：Nb为38％，Sn为4％，Zr为4％，余量为Ti和符合工业标准的杂质。
物相检测：
采用X射线衍射仪(XRD，DX-2700B，中国浩源)分别测试各实施例和对比例的钛合金的物相组成，测试条件为：Cu靶Kα射线
Figure BDA0003739278880000081
管电压40kV，管电流30mA，步长0.02°，扫描角度为20°至90°。
图1为实施例1制备的钛合金的XRD图谱，从图1可以看出制备的钛合金的组织结构由α相、β相和α〃相组成，未检测到其他杂相。图5、图6为实施例2、实施例3制备的钛合金的XRD图谱，从图5、图6可以看出制备的钛合金的组织结构由α相、β相和α〃相组成，未检测到其他杂相。实施例4-11制备的钛合金的XRD图谱中同样可以得到，钛合金的组织结构由α相、β相和α〃相组成，未检测到其他杂相。图7为对比例1制备的钛合金的XRD图谱，图谱中可以看到钛合金的组织结构由α相、β相和FCC相组成。图8为对比例2制备的钛合金的XRD图谱，图谱中可以看到钛合金的组织结构由α相、β相和α〃相组成。图9为对比例5制备的钛合金的XRD图谱，图谱中可以看到钛合金的组织结构由β相和α〃相组成。图10为对比例6制备的钛合金的XRD图谱，图谱中可以看到钛合金的组织结构由α相、β相组成。
显微结构检测：
采用TEM(Talos F200X，FEI，美国)对各实施例和对比例制备的钛合金的微观结构进行分析，测试电压为200kV。图2为本发明实施例1制备的钛合金的微观形貌，图中可以看出钛合金的组织结构由灰色基底相、灰白色分散相和黑色分散相组成，其中，灰色基底相为β相，灰白色分散相和黑色分散相分别为α〃相和α相，α〃相和α相的尺寸为300nm-1200nm。检测实施例2-11制备的钛合金的微观形貌，与实施例1的微观形貌相同，同样由灰色基底相、灰白色分散相和黑色分散相组成。
性能检测
采用深圳万测试验设备有限公司的ETM105D万能力学试验机对各实施例和对比例的钛合金拉伸性能和压缩性能进行测试。压缩性能测试试样尺寸为Φ5×10mm，测试条件为压缩速度0.5mm/min。拉伸性能测试试样横截面积为1.5×1.0mm2，标距为5mm，拉伸测试条件为拉伸速度0.2mm/min。
实施例1-11、对比例1-6制备的钛合金的性能指标测试结果如表1所示。
表1钛合金的性能指标测试
Figure BDA0003739278880000091
Figure BDA0003739278880000101
实施例1和对比例1对比了低温球磨工艺和普通球磨工艺对钛合金组织结构和性能影响，实施例1相较于对比例1采用低温球磨工艺，并未添加球磨助剂无水乙醇，结合表1可以看出，实施例1相较于对比例1，弹性模量大幅降低，拉伸强度和压缩强度降低，延伸率上升，结合前述微观结构分析结果可知，实施例1的组织结构由α相、β相和α〃相组成，而对比例1的组织结构由α相、β相和FCC相组成，可见，实施例1的特定结构使得钛合金具有低的弹性模量的同时，具备高的强度和良好的塑性。
实施例1-6和对比例2-3分别考察了Nb和Sn元素的配比对钛合金性能的影响。结合表1可知，实施例1-6中加入的Nb元素的质量比为33～38％，Sn元素的质量比为2～4％，在上述范围内，钛合金具有高的强度、良好的塑性以及低的弹性模量，其中，实施例1中Nb为33％，Sn为4％时性能达到最佳，弹性模量低至48GPa，且拉伸强度达到914MPa，延伸率达到12.7％，压缩强度达到1840MPa，断裂应变达到47％，致密度达到99.8％。相较于实施例1，对比例2中Nb元素添加过高为40％时，弹性模量大幅上升，对比例3中Sn元素添加过高为6％时，弹性模量同样大幅上升，均达到80GPa以上，无法满足低弹性模量的要求。
实施例1、7、8和对比例4考察了放电等离子烧结温度对钛合金性能的影响。对比例4中烧结温度为850℃，钛合金致密度低，抗拉强度和压缩强度低，延伸率低，断裂应变低，随着烧结温度升高，实施例7中达到950℃，抗拉强度和压缩强度升高，延伸率和断裂应变升高，弹性模量降低，性能提升，实施例1中升高到1050℃时，性能达到最佳。当烧结温度继续升高，达到实施例8中的1200℃时，抗拉强度和压缩强度降低，延伸率和断裂应变降低，弹性模量升高，性能降低。
实施例1、实施例9考察了放电等离子烧结压力对钛合金性能的影响。结合表1可以看出，烧结压力为30～50MPa，制备得到的钛合金具有较优的性能，烧结压力为50MPa时性能更佳。
实施例1、10、11考察了低温球磨温度对对钛合金性能的影响。结合表1可以看出，球磨温度为-60℃～-30℃，制备得到的钛合金具有较优的性能，球磨温度为-45℃性能更佳，球磨温度过低不利于球磨合金化，温度过高不利于阻止冷焊。
实施例4、对比例5、6对比了钛合金添加元素的种类对钛合金性能的影响。结合表1可以看出，对比例5中用等量的Zr元素替换实施例4中的Sn元素，钛合金的弹性模量明显升高，对比例6中在实施例4的合金元素中额外添加质量比4％的Zr元素，钛合金的弹性模量同样明显升高，皆未能实现制备低弹性模量钛合金的目的。结合前面微观结构分析可知，对比例5制备的钛合金的组织结构由β相和α〃相组成，对比例6制备的钛合金的组织结构由α相、β相组成，均未得到三相组织的钛合金。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的机构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三相组织钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.按质量百分比计，按照成分配比Nb：30～38％、Sn：2～4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素，称量原料粉末；
步骤2.将原料粉末进行低温球磨，球磨的温度为-60℃～-30℃，得到球磨粉体；
步骤3.将球磨粉体进行放电等离子烧结制备得到钛合金，
钛合金的组织结构由α相、β相和α〃相组成，β相为基底相，α相和α〃相分散在基底相中，α相和α〃相的尺寸为300nm-1200nm。
2.根据权利要求1所述的三相组织钛合金的制备方法，其特征在于：按质量百分比计，按照成分配比Nb：33～38％、Sn：2～4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素，称量原料粉末。
3.根据权利要求1所述的三相组织钛合金的制备方法，其特征在于：按质量百分比计，按照成分配比Nb：33％，Sn：4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素，称量原料粉末。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的三相组织钛合金的制备方法，其特征在于：所述原料粉末为高纯Ti粉、Nb粉、Sn粉，原料的纯度≥99.9wt％，粉末的平均粒径为30～60微米。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的三相组织钛合金的制备方法，其特征在于：所述低温球磨采用液氮冷却，球磨的温度为-45℃～-30℃。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的三相组织钛合金的制备方法，其特征在于：所述球磨粉体装填于石墨模具中放置在放电等离子烧结设备中进行烧结，烧结真空度＜80Pa，烧结压力为30～50MPa，烧结温度为950～1200℃，保温烧结时间为5～15min。
7.根据权利要求1所述的三相组织钛合金的制备方法，其特征在于：所述钛合金的拉伸强度为836～975MPa，延伸率为8.4～12.7％，压缩强度为1724～1882MPa，断裂应变为39～47％，弹性模量为48～70GPa，致密度为99.7～99.8％。
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