[發(fā)明專利]一種低彈性模量高強(qiáng)度鈦合金及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110432126.2
• 申請(qǐng)日: 2011-12-21
• 公開（公告）號(hào): CN103173653A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋曉云;葉文君;惠松驍;于洋;劉睿;付艷艷;米緒軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號(hào): C22C14/00
• 分類號(hào): C22C14/00;C22C1/02;C22F1/18
• 代理公司: 北京北新智誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11100
• 代理人: 劉徐紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低彈性模量高強(qiáng)度鈦合金及其制備方法，具體為一種低彈性模量高強(qiáng)度Ti-Nb-Zr(Hf)合金材料及其制備方法，屬于體育用品領(lǐng)域、消費(fèi)品領(lǐng)域和生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鈦合金具有良好的生物相容性和抗體液腐蝕性能，其彈性模量約為80～110GPa，與人體組織最為接近(10～30GPa)，可以減輕金屬種植體與骨組織之間的不適應(yīng)性，在生物醫(yī)用等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前臨床上應(yīng)用最為廣泛的鈦合金仍是純鈦和Ti-6Al-4V合金，但Ti-6Al-4V合金的彈性模量高(約為110GPa)，同時(shí)認(rèn)為Al元素會(huì)引起骨軟化，V也是具有生物毒性的。據(jù)此人們特別開發(fā)了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的鈦合金，主要添加無(wú)毒元素Fe、Nb、Ta、Zr、Mo、Sn，主要有Ti-15Mo，Ti-12Mo-6Zr-2Fe，Ti-15Mo-3Nb，Ti-13Nb-13Zr(E＝79GPa)等。最近大量的研究集中在Ti-Nb-Ta-Zr系合金上，如Ti-35Nb-7Zr-5Ta，其彈性模量為52GPa，但其強(qiáng)度在未滲氮處理前只有530MPa。

目前，關(guān)于Ti-Nb-Zr方面的相關(guān)專利包括申請(qǐng)?zhí)枮?01110056103，發(fā)明名稱為《低彈高強(qiáng)近β型Ti-Nb-Ta-Zr合金及其制備方法》的發(fā)明專利，重量百分比為：鈮28％-32％，鉭4％-5.5％，鋯5％-15％，余量為鈦。經(jīng)真空非自耗電弧爐熔煉成紐扣狀Ti-Nb-Ta-Zr鑄錠；將鑄錠經(jīng)熱鍛后，鍛成尺寸為3mm×30mm×70mm的薄板狀；經(jīng)線切割后的試樣在750～800℃固溶處理，水淬，獲得單相β組織；固溶后的試樣在450～500℃時(shí)效處理，空冷，獲得β相+彌散α相的兩相組織。該合金中添加了Ta，提高了制備成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種低彈性模量、高強(qiáng)度、生物相容性好的Ti-Nb-Zr(Hf)合金及其制備方法。該合金可以廣泛用于制作眼鏡架、體育器材和生物醫(yī)用器件。

本發(fā)明的低彈性模量高強(qiáng)度鈦合金，具體為Ti-Nb-Zr(Hf)合金，所述合金由鈮、鋯、鉿和鈦組成，其原子百分含量為：鈮18at％，鋯0～9at％，鉿0～9at％，且鋯和鉿之和為0～9at％，余量為鈦，并且上述各成分的含量之和為100％。

優(yōu)選的，鋯為1～9at％；更優(yōu)選的，鋯為3～9at％。

優(yōu)選的，鉿為1～9at％；更優(yōu)選的，鉿為1～4at％。

所述鈦合金的價(jià)電子數(shù)(e/a)約為4.13。冷軋后所得合金的彈性模量為50～60GPa，冷軋后室溫下軋制方向抗拉強(qiáng)度均超過(guò)850MPa，延伸率為6％～15％。

本發(fā)明還提供了上述低彈性模量高強(qiáng)度鈦合金(Ti-Nb-Zr(Hf)合金)的制備方法，工藝步驟為：

(1)按照上述配比進(jìn)行配料，將稱取的市售鈦、鈮、鋯和/或鉿原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)熔煉成Ti-Nb-Zr(Hf)合金鑄錠；或?qū)⑹惺垅仭⑩墶喓?或鉿原料壓制成自耗電極，放入真空自耗電弧爐內(nèi)，熔煉成Ti-Nb-Zr(Hf)合金鑄錠；

(2)將上述制得的Ti-Nb-Zr(Hf)合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理后進(jìn)行開坯鍛造，然后進(jìn)行中間鍛造，逐漸從1000℃降溫至900℃，鍛成一定規(guī)格的中間板坯；

(3)將上述制得的板坯進(jìn)行固溶處理，冷卻，得到固溶態(tài)合金板坯；

(4)將上述固溶態(tài)合金板坯冷軋，變形量超過(guò)60％，在空氣中進(jìn)行。

所述均勻化處理可選擇在1050～1100℃下保溫2～5小時(shí)。

所述的固溶處理為在850～900℃進(jìn)行，時(shí)間為0.5～5小時(shí)，所述冷卻的速率不低于300℃/s，以獲得具有一定比例馬氏體相和殘余β相的組織，避免淬火ω相形成，保證冷軋順利進(jìn)行。

本發(fā)明的低彈性模量高強(qiáng)Ti-Nb-Zr(Hf)合金，采用真空自耗/非自耗電弧爐熔煉加開坯鍛造、中間鍛造成板坯、固溶處理、冷軋工序制備板材，冷軋合金板材按照國(guó)標(biāo)GB/T?228-2002方法進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，所述合金的性能為：彈性模量為50～60GPa，抗拉強(qiáng)度不低于850MPa，延伸率6～15％。