一種高強(qiáng)度鈦合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度鈦合金，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%，余量為Ti；通過特定制備方法得到特定的微觀結(jié)構(gòu)，使得其具有抗拉強(qiáng)度1010～1050MPa，彈性模量為67～82GPa，伸長(zhǎng)率為11～19%，斷面收縮率為38～58%的較好性能。
【專利說明】一種高強(qiáng)度鈦合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合金材料領(lǐng)域，特別是涉及一種高強(qiáng)度鈦合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]醫(yī)用鈦合金指用于制造植入人體內(nèi)的醫(yī)療器件、假體或人工器官和輔助治療設(shè)備的鈦合金，一般要求比強(qiáng)度高、力學(xué)性質(zhì)接近人骨，強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于純鈦，還具有耐疲勞、耐腐蝕及生物相容性優(yōu)良等特點(diǎn)。目前在在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的醫(yī)用鈦合金在抗拉強(qiáng)度等方面具有先天不足，導(dǎo)致廢品率和使用年限得到限制，上述問題已引起醫(yī)學(xué)界的強(qiáng)烈關(guān)注，急需研發(fā)一種強(qiáng)度較高，但是又不損害伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等性能的高強(qiáng)度鈦合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的之一在于提出一種高強(qiáng)度鈦合金；
本發(fā)明的目的之二在于提出一種高強(qiáng)度鈦合金的制備方法；
為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種高強(qiáng)度鈦合金，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%，余量為 Ti ；
所述高強(qiáng)度鈦合金微觀結(jié)構(gòu)中，表面的TiC相的平均直徑為1.2^2.6nm,中心的TiC相的平均直徑為2.8~3.8nm ;表面的NbC相的平均直徑為1.6~3.1nm,中心的NbC相平均直徑為 3.6~4.2nm ；
所述高強(qiáng)度鈦合金的性能為:抗拉強(qiáng)度101(Tl050MPa，彈性模量為67~82GPa，伸長(zhǎng)率為11~19%，斷面收縮率為38~58%。
[0004]作為優(yōu)選，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%，余量為 Ti。
[0005]作為優(yōu)選，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%，余量為 Ti。
[0006]作為優(yōu)選，所述高強(qiáng)度鈦合金微觀結(jié)構(gòu)中，表面的TiC相的平均直徑為2.1nm,中心的TiC相的平均直徑為3.2nm ;表面的NbC相的平均直徑為1.8nm,中心的NbC相平均直徑為3.9nm ；
所述高強(qiáng)度鈦合金的性能為:抗拉強(qiáng)度1030MPa，彈性模量為69GPa，伸長(zhǎng)率為18%，斷面收縮率為42%。
[0007]作為優(yōu)選，所述高強(qiáng)度鈦合金微觀結(jié)構(gòu)中，表面的TiC相的平均直徑為1.3nm,中心的TiC相的平均直徑為3.6nm ;表面的NbC相的平均直徑為2.1nm,中心的NbC相平均直徑為 3.65nm ；
所述高強(qiáng)度鈦合金的性能為:抗拉強(qiáng)度1045MPa，彈性模量為75GPa，伸長(zhǎng)率為12%，斷面收縮率為40%。
[0008]高強(qiáng)度鈦合金的制備方法，包含如下步驟:(a)配料:按照Nb:21~24.5%, Zr:6.8~8.2%, Sn:8~9.6%, O:0.θ1~θ.15%, RE:
1.58~2.6%，Al:2.1~2.8%，C:1.2~1.8%，余量為Ti進(jìn)行配料，其中Ti以海綿鈦，Zr以海綿鋯、Nb采用T1-52Nb中間合金、Sn采用Ti_68Sn中間合金、RE采用混合稀土、Al和C采用T1-Al-C中間合金，O為上述原料中殘留元素；
(b)熔煉:將步驟(a)配好的料壓制成電極，在真空自耗電弧爐中熔煉3飛次；
(c)均勻化退火:均勻化溫度為95(T978°C，保持時(shí)間為15~22h，退火后進(jìn)行扒皮去除氧化層；
(d)鍛造:鍛造加熱溫度為960~1005V，保溫時(shí)間為86~lOOmin，終鍛溫度為860^880 0C ；
Ce)熱軋:軋制不進(jìn)行中間退火，軋制道次為8~10 ；
Cf)冷軋:冷軋的總變形量為80% ；
(g)固溶熱處理:將冷軋板在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶熱處理，固溶溫度為830-850°C，保溫時(shí)間為2~5h，水淬；
(h)時(shí)效熱處理:分為如下五步:時(shí)效溫度為30(T320°C，保溫時(shí)間為5~18min，水淬；再加熱到40(T42(TC進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為1~1.8h，水淬；再加熱到48(T495°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2~2.5h，水淬；再加熱到52(T550°C進(jìn)行第四次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為5~8h，水淬；再加熱到58(T620°C進(jìn)行第五次時(shí)效，水淬，得到高強(qiáng)度鈦合金成品。
[0009]作為優(yōu)選，時(shí)效熱處理分為如下五步:時(shí)效溫度為310°C，保溫時(shí)間為8min，水淬；再加熱到420°C進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為lh，水淬；再加熱到485°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2h，水淬；再加熱到535°C進(jìn)行第四次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為5h，水淬；再加熱到610°C進(jìn)行第五次時(shí)效，水淬，得到高強(qiáng)度鈦合金成品。
[0010]本發(fā)明的效果在于:
通過特定的特定的時(shí)效步驟和參數(shù)的限定，使得鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)形成表面和中心位置的不同，TiC和NbC相在合金中不同分布，導(dǎo)致其各項(xiàng)性能達(dá)到意料不到的好；
通過具體時(shí)效熱處理與具體固溶以及退火、回火處理的配合，使得抗拉強(qiáng)度達(dá)到IOlOMPa以上，彈性模量為在67GPa以上；并且其他性能在強(qiáng)度提高的前提下，保持伸長(zhǎng)率為11~19%，斷面收縮率保持為38~58% ；
通過上述具體制備方法參數(shù)的限定與具體合金成分的配合，使得性能穩(wěn)定性達(dá)到了90%以上。
【具體實(shí)施方式】
[0011]實(shí)施例1
一種高強(qiáng)度鈦合金，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%，余量為 Ti。
[0012]所述高強(qiáng)度鈦合金微觀結(jié)構(gòu)中，表面的TiC相的平均直徑為2.6nm,中心的TiC相的平均直徑為3.7nm ;表面的NbC相的平均直徑為3.1nm,中心的NbC相平均直徑為4.1nm ；
所述高強(qiáng)度鈦合金的性能為:抗拉強(qiáng)度1022MPa，彈性模量為78GPa，伸長(zhǎng)率為18%，斷面收縮率為46%。
[0013]實(shí)施例2:一種高強(qiáng)度鈦合金，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%，余量為 Ti。
[0014]所述高強(qiáng)度鈦合金微觀結(jié)構(gòu)中，表面的TiC相的平均直徑為2.1nm,中心的TiC相的平均直徑為3.2nm ;表面的NbC相的平均直徑為1.8nm,中心的NbC相平均直徑為3.9nm ；
所述高強(qiáng)度鈦合金的性能為:抗拉強(qiáng)度1030MPa，彈性模量為69GPa，伸長(zhǎng)率為18%，斷面收縮率為42%。
[0015]實(shí)施例3:
高強(qiáng)度鈦合金的制備方法，包含如下步驟:
Ca)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%，余量為Ti進(jìn)行配料，其中Ti以海綿鈦，Zr以海綿鋯、Nb采用Ti_52Nb中間合金、Sn采用T1-68Sn中間合金、RE采用混合稀土、Al和C采用T1-Al-C中間合金，O為上述原料中殘留元素；
(b)熔煉:將步驟(a)配好的料壓制成電極，在真空自耗電弧爐中熔煉3飛次；
(c)均勻化退火:均勻化溫度為950°C，保持時(shí)間為19h，退火后進(jìn)行扒皮去除氧化層； Cd)鍛造:鍛造加熱溫度為985°C，保溫時(shí)間為96min，終鍛溫度為875°C ；
(e)熱軋:軋制不進(jìn)行中間退火，軋制道次為9 ；
Cf)冷軋:冷軋的總變形量為80% ；
(g)固溶熱處理:將冷軋板在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶熱處理，固溶溫度為840°C，保溫時(shí)間為2.5h，水淬；
(h)時(shí)效熱處理:分為如下五步:時(shí)效溫度為310°C，保溫時(shí)間為12min，水淬；再加熱到410°C進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為1.6h，水淬；再加熱到485°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2.15h，水淬；再加熱到530°C進(jìn)行第四次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為6h，水淬；再加熱到590°C進(jìn)行第五次時(shí)效，水淬，得到高強(qiáng)度鈦合金成品。
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)度鈦合金，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%，余量為Ti ； 所述高強(qiáng)度鈦合金微觀結(jié)構(gòu)中，表面的TiC相的平均直徑為1.6nm,中心的TiC相的平均直徑為2.8~3.8nm ;表面的NbC相的平均直徑為1.6~3.1nm,中心的NbC相平均直徑為 3.6~4.2nm ； 所述高強(qiáng)度鈦合金的性能為:抗拉強(qiáng)度101(Tl050MPa，彈性模量為67~82GPa，伸長(zhǎng)率為11~19%，斷面收縮率為38~58%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度鈦合金，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%，余量為 Ti。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度鈦合金，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%，余量為 Ti。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度鈦合金，其特征在于，所述高強(qiáng)度鈦合金微觀結(jié)構(gòu)中，表面的TiC相的平均直徑為2.1nm,中心的TiC相的平均直徑為3.2nm ;表面的NbC相的平均直徑為1.8nm,中心的NbC相平均直徑為3.9nm ； 所述高強(qiáng)度鈦合金的性能為:抗拉強(qiáng)度1030MPa，彈性模量為69GPa，伸長(zhǎng)率為18%，斷面收縮率為42%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度鈦合金，其特征在于，所述所述高強(qiáng)度鈦合金微觀結(jié)構(gòu)中，表面的TiC相的平均直徑為1.3nm,中心的TiC相的平均直徑為3.6nm ;表面的NbC相的平均直徑為2.1nm,中心的NbC相平均直徑為3.65nm ； 所述高強(qiáng)度鈦合金的性能為:抗拉強(qiáng)度1045MPa，彈性模量為75GPa，伸長(zhǎng)率為12%，斷面收縮率為40%。
6.權(quán)利要求1所述高強(qiáng)度鈦合金的制備方法，其特征在于，包含如下步驟:
Ca)配料:按照 Nb:21-24.5%, Zr:6.8~8.2%, Sn:8~9.6%, O:0.θ1-θ.15%, RE:1.58~2.6%，Al:2.1~2.8%，C:1.2~1.8%，余量為Ti進(jìn)行配料，其中Ti以海綿鈦，Zr以海綿鋯、Nb采用T1-52Nb中間合金、Sn采用Ti_68Sn中間合金、RE采用混合稀土、Al和C采用T1-Al-C中間合金，O為上述原料中殘留元素； (b)熔煉:將步驟(a)配好的料壓制成電極，在真空自耗電弧爐中熔煉3飛次； (c)均勻化退火:均勻化溫度為95(T978°C，保持時(shí)間為15~22h，退火后進(jìn)行扒皮去除氧化層； (d)鍛造:鍛造加熱溫度為960~1005V，保溫時(shí)間為86~lOOmin，終鍛溫度為860^880 0C ； Ce)熱軋:軋制不進(jìn)行中間退火，軋制道次為8~10 ； Cf)冷軋:冷軋的總變形量為80% ； (g)固溶熱處理:將冷軋板在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶熱處理，固溶溫度為830-850°C，保溫時(shí)間為2~5h，水淬； (h)時(shí)效熱處理:分為如下五步:時(shí)效溫度為30(T320°C，保溫時(shí)間為5~18min，水淬；再加熱到40(T42(TC進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為1~1.8h，水淬；再加熱到48(T495°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2~2.5h，水淬；再加熱到52(T550°C進(jìn)行第四次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為5~8h，水淬；再加熱到58(T620°C進(jìn)行第五次時(shí)效，水淬，得到高強(qiáng)度鈦合金成品。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高強(qiáng)度鈦合金的制備方法，其特征在于，時(shí)效熱處理分為如下五步:時(shí)效溫度為310°C，保溫時(shí)間為8min，水淬；再加熱到420°C進(jìn)行第二次時(shí)效處理，時(shí)效時(shí)間為lh，水淬；再加熱到485°C進(jìn)行第三次時(shí)效，時(shí)效時(shí)間為2h，水淬；再加熱到535°C進(jìn)行第四次時(shí)效， 時(shí)效時(shí)間為5h，水淬；再加熱到610°C進(jìn)行第五次時(shí)效，水淬，得到高強(qiáng)度鈦合金成品。
【文檔編號(hào)】C22F1/18GK103695710SQ201410018652
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月16日
【發(fā)明者】張霞 申請(qǐng)人:張霞