[發明專利]一種變織構鈦材料的粉末冶金制備方法

有效

• 申請號: 202111503324.3
• 申請日: 2021-12-09
• 公開（公告）號: CN114178527B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 李金山;陳彪;趙怡然;耿華瑞;萬杰;寇宏超;王軍;唐斌;樊江昆;賴敏杰
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B22F3/02
• 分類號: B22F3/02;B22F3/20
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 彭博

本發明公開了一種變織構鈦材料的粉末冶金制備方法，包括：將高壓預成型的純鈦或鈦合金預熱至其β轉變點溫度以上，并進行保溫，同時將擠壓筒和擠壓模進行預熱；其中，鈦合金中添加的元素需不會使鈦合金的α+β兩相區擴大；將預熱的純鈦或鈦合金坯料迅速轉移至已預熱的熱擠壓筒內，進行熱擠壓，使坯料通過熱擠壓模孔；其中，熱擠壓過程需要在跨越純鈦或鈦合金坯料相變點前后的時間段內完成。所得的鈦棒材整體上可以被分為兩部分，即材料溫度在β轉變溫度以上擠出的部分和材料溫度降到β轉變溫度以下擠出的部分，兩部分材料織構不同。本發明制備的結構連續但織構變化的鈦材料，各部位可承受不同載荷，可適應變動載荷，且制備方法簡單，易于推廣。

技術領域

本發明屬于金屬材料加工的技術領域，尤其涉及一種變織構鈦材料的粉末冶金制備方法。

背景技術

金屬鈦作為高強度的輕質金屬，具有很好的耐腐蝕能力，強度較高。因此被廣泛應用于航空航天、醫療衛生領域。

在航空航天領域，高強度的鈦合金常被作為輕量化材料來減輕航空器的重量。用作結構材料的高強度鈦合金強度可達800～1200MPa，甚至更高。

在醫療衛生領域，鈦及鈦合金常被植入人體內，用于替代或輔助人體內嚴重受損的組織結構，如骨骼、關節、心瓣和骨骼固定夾等。金屬鈦無毒，植入人體內后不容易與人體的組織發生反應，不容易被人體體液和組織液腐蝕，對人體沒有傷害，且與人體組織結合良好，具有很好的生物相容性。因此金屬鈦被視為“親生物金屬”之一，也是目前被廣泛應用于生物醫學的三大金屬材料之一。

由于鈦及鈦合金的廣泛運用，相應地，鈦及鈦合金的制備、加工和成型技術及組織調控，也吸引了研究人員的廣泛關注。

按照微觀結構來分類，鈦及鈦合金可分為α鈦、β鈦和α+β鈦。平衡狀態下，溫度低于882℃時，鈦呈現為密排六方結構的α鈦；高于882℃時，鈦呈現為體心立方結構的β鈦；通過添加合金元素和適當的熱處理，可以獲得兩相共存的α+β鈦。其中，α鈦的組織最穩定，塑性較好，強度略低；β鈦的在未經熱處理時即可表現出較高的強度，經時效處理后可以得到進一步強化，室溫強度可達1300MPa以上；α+β鈦具有雙相組織，組織穩定性好，有良好的韌性，熱處理后的強度與退火態相比可提升50％以上。

在三種鈦中，α鈦和α+β鈦使用頻率最高。而α+β鈦合金中含有α穩定元素或β穩定元素，如鋁、釩等。鈦合金如果被植入人體內，這些元素容易擴散到周圍的人體組織內，對人體造成傷害(I.Kopova,J.Strasky,P.Harcuba,M.Landa,M.Janecek,L.Bacakova,Newlydeveloped?Ti-Nb-Zr-Ta-Si-Fe?biomedical?beta?titanium?alloys?with?increasedstrength?and?enhanced?biocompatibility,Mater?Sci?Eng?C?Mater?Biol?Appl?60(2016)230-238.)。針對這個問題，目前大致有兩種解決途徑，第一種是開發新的鈦合金，使用對人體無害的元素作為相穩定元素；第二種是使用純鈦作為植入材料。

另外，鈦合金的強度較高，彈性模量較大，很適合被應用于航空航天工業，而與人體骨骼的強度差異較大，二者可能存在強度不匹配的問題。在人體的關節處，載荷的情況較為復雜，同一關節的不同位置所受載荷可能不同，關節變形前后所受載荷也可能不同。在航空航天器中，也存在一些各部位受載荷不同或受變化載荷的運動構件。如果在同一連續材料中的不同位置具有不同的組織，那么不同位置將具有不同的承受載荷的能力，這與人體組織和航空航天器的運動構件的受力具有更好的匹配性。現有鈦及鈦合金鑄造、塑性變形和熱處理等制備工藝致力于獲得組織結構均勻的材料，未見報導在同一連續材料中呈現雙織構的研究。

發明內容

純鈦中α+β兩相區非常狹窄，幾乎可以忽略，將純鈦升溫至β轉變點以上，隨即進行熱加工，材料在熱加工的過程中經歷熱流失，并跨越相變點，跨越相變點前后擠壓出的材料可以獲得不同的織構。