[發(fā)明專利]一種高強(qiáng)韌耐蝕β型鈦鋯基合金及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011147498.6
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112176220A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏超群;齊明星;陳凱;丁玉苗;楊泰;李強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/02;C22F1/18
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發(fā)明為一種高強(qiáng)韌耐蝕β型鈦鋯基合金及其制備方法。該合金為鈦?鋯?鉬合金，三種元素所占質(zhì)量比分別為：Zr 20％，Mo 5～20％，余量為鈦，雜質(zhì)忽略不計(jì)。本發(fā)明得到的鈦鋯鉬系列合金相較于鈦鋯合金力學(xué)性能得到優(yōu)化，屈服強(qiáng)度相較鈦鋯合金提升了300?500MPa，塑性提升了20％。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鈦合金材料及制備方法，特別涉及一種高強(qiáng)韌耐蝕β型鈦鋯基合金及其制備方法。

背景技術(shù)

鈦及鈦合金的應(yīng)用范圍廣泛，遍及海洋工程、航空航天及生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域。鈦及其合金由于其自身優(yōu)良的生物相容性、力學(xué)適應(yīng)性、無磁性、無毒性、可加工性和在生物環(huán)境下的耐腐蝕性在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域中占據(jù)重要的地位，并將繼續(xù)得到延續(xù)和發(fā)展。

目前廣泛使用的醫(yī)用鈦合金(Ti-6Al-4V、Ti-Ni基記憶合金等)存在一定的問題，如彈性模量與人體骨骼的不匹配，容易造成“應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象”，會引起種植體松動或者斷裂；組成元素Al、Ni、V等元素可能對人體產(chǎn)生毒副作用。因此，發(fā)展低彈性模量、良好的生物相容性、較高強(qiáng)度及較好的腐蝕性能且兼具有形狀記憶效應(yīng)的新型生物醫(yī)用鈦合金成為一種新的研究方向和選擇。

目前新一代生物醫(yī)用鈦合金的發(fā)展趨勢是開發(fā)無毒且具有低彈性模量的β或近β相鈦合金，通過在合金中加入具有良好生物相容性的Nb、Mo、Ta、Zr、Sn等β相合金化元素并通過顯微組織的控制來獲得具有良好生物相容性和生物力學(xué)相容性的新型生物醫(yī)用鈦合金。為了提高鈦合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域的發(fā)展，開發(fā)一種高強(qiáng)韌耐蝕鈦合金就極為重要，因此如何在提高機(jī)械性能的同時(shí)降低彈性模量是一大難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)所面臨的問題，提供一種不含對人體產(chǎn)生副作用元素的全β相高強(qiáng)韌耐蝕鈦鋯基合金及制備方法。該合金在具有良好力學(xué)性能的Ti-20Zr(質(zhì)量比)合金基礎(chǔ)上，通過添加β穩(wěn)定元素鉬，在適合的制備工藝參數(shù)下，制得高強(qiáng)耐蝕的全β相鈦合金。本發(fā)明得到的鈦鋯鉬系列合金相較于鈦鋯合金力學(xué)性能得到優(yōu)化，屈服強(qiáng)度相較鈦鋯合金提升了300-500MPa，塑性提升了20％。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種高強(qiáng)韌耐蝕β型鈦鋯基合金，該合金為鈦-鋯-鉬合金，三種元素所占質(zhì)量比分別為：Zr20％，Mo 5～20％，余量為鈦，雜質(zhì)忽略不計(jì)。

所述的全β高強(qiáng)韌耐蝕鈦合金的制備方法，包括以下步驟：

(1)分別將純度為純鋯、純鈦和純鉬清洗后，按照以上的比例配料；

(2)將所配得的料置于非自耗真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中，抽高真空至3.0～3.5×10^-3Pa；

(3)引弧熔煉前，向電弧爐腔體內(nèi)充入0.03MPa-0.05MPa的高純氬氣后進(jìn)行熔煉，熔煉5～7次，每次的時(shí)間范圍為5-10分鐘，得到鑄錠合金；其中，熔煉電流為240～300A/S；

(4)將鑄錠置入真空管式爐內(nèi)，在抽至低于5×10^-3低真空狀態(tài)下充入氬氣形成氬氣氛圍(氬氣純度99.99％)，升溫至950～1050℃，升溫速率為2～5℃/min，并且保溫3～6小時(shí)后隨爐自然冷卻，得到全β高強(qiáng)韌耐蝕鈦合金。

所述的純鋯為工業(yè)級海綿鋯，純鈦的純度為99％，鉬片的純度為99.95％。

本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)為：

本發(fā)明在不影響鈦鋯二元合金力學(xué)性能的前提下少量降低鈦的含量，并加入Mo元素從而使鈦合金向β型鈦合金轉(zhuǎn)變，以得到具有更好機(jī)械性能和耐腐蝕性的三元合金。相較于Ti-20Zr合金，創(chuàng)新性的加入鉬元素提高力學(xué)性能的同時(shí)降低彈性模量，并且同時(shí)合金的耐腐蝕性能也得到提升。制備方法中，通過多次熔煉以及合金化手段制得鈦鋯基合金，通過退火工藝，將β相保留至室溫，從而獲得全β相的合金。

本發(fā)明的有益效果為：