一种Zr-Ta纳米片增强Ti-Mo基复合材料及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种Zr

【技术实现步骤摘要】
一种Zr
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Ta纳米片增强Ti
‑
Mo基复合材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种Zr
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Ta纳米片增强Ti
‑
Mo基(简记为Zr
‑
Ta/Ti
‑
Mo)复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金凭借其优良的综合力学性能(高比强度)、良好的功能特性(形状记忆及超弹性)、极佳的生物相容性和耐腐蚀性能，已经广泛应用于航空、航天、舰船、化工以及医疗器械等领域，被誉为“海陆空三栖金属”。钛合金上述优异特性的实现，主要得益于其通过调整合金成分及热
‑
机械处理工艺能够获得具有不同晶体结构的微观相，包括体心立方结构的β相、密排六方结构的α和α
′
相、正交结构的α"相及非密排六方结构的ω相等。在钛合金的众多微观相中，具有体心立方(BCC)结构的β相因其独有的低弹性模量、优良的生物相容性及较大的延伸率等特性已经受到科学及工程领域的关注。目前，生物医用钛合金及超弹性钛合金均是基于BCC(也就是β相)结构实现性能设计及优化。
[0003]尽管具有BCC结构的β相钛合金具有低弹性模量及大延伸率等性能优势，但它也存在屈服强度和拉伸强度较低的性能缺陷。为了提升BCC钛合金的屈服强度和拉伸强度，目前主要通过采用热
‑
机械处理的方式在钛合金的BCC基体上析出密排六方结构的α强化相或非密排六方结构的ω强化相来实现强化。然而，这些强化方式不可避免地会引入非BCC结构的α相或ω相，破坏β相钛合金原有的单一BCC结构，导致BCC合金某些特性的劣化甚至消失。例如，在钛合金的BCC基体中引入非BCC结构的α或ω析出相在提升合金屈服强度和拉伸强度的同时，也会导致合金弹性模量的明显升高并伴随延伸率的显著降低。研究表明，当钛合金中ω相体积含量超过30％时，钛合金便不再具备低弹性模量特性，同时其拉伸延伸率将降至3％，约为BCC钛合金的1/7。因此，现有的β相钛合金在保持单一BCC结构的前提下，其强度(包括屈服强度和拉伸强度)和延伸率很难达到较高的匹配(表现为拉伸强度
·
延伸率积相对较低)，限制了其在生物医用及先进工业等高
的应用。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供了一种Zr
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Ta纳米片增强Ti
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Mo基(简记为Zr
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Ta/Ti
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Mo)复合材料及制备方法，所制备的Zr
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Ta/Ti
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Mo复合材料中的Zr
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Ta纳米片及Ti
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Mo基体均为BCC结构，复合材料在整体上保持单一的BCC结构。本专利技术通过充分发挥Zr
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Ta纳米尺度增强相的高屈服强度和高拉伸强度及Ti
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Mo基体优良的延伸率，并借助两种BCC组元复合时组元界面及取向偏差等微观结构因素赋予的性能提升效应，在BCC结构中实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配，可望在生物医用及先进工业等高
获得重要应用。
[0005]本专利技术属于金属基复合材料领域，并涉及一种Zr
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Ta纳米片增强Ti
‑
Mo基(简记为Zr
‑
Ta/Ti
‑
Mo)复合材料及其制备方法，通过该方法制备的Zr
‑
Ta/Ti
‑
Mo复合材料能够在保持单一体心立方(简记为BCC)结构的前提下，具备高的屈服强度、高的拉伸强度及大的延伸
率，能够有效解决现有的β型钛合金在呈现单一BCC结构时存在的强度和延伸率匹配不足问题(表现为拉伸强度
·
延伸率积相对较低)，可望在生物医用及先进工业等高
获得重要应用。
附图说明
[0006]图1显示了根据本专利技术的一个实施例的制备方法中Ti
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Mo板和Zr
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Ta板的堆垛示意图。
[0007]图2用于根据本专利技术的一个实施例的制备方法中的热挤压和分道次轧制的包套的示意图。
[0008]图3显示了根据本专利技术的实施例1制备的Zr
70
Ta
30
纳米片增强Ti
90
Mo
10
基复合材料的高能X射线衍射图谱。
[0009]图4显示了根据本专利技术的实施例1制备的Zr
70
Ta
30
纳米片增强Ti
90
Mo
10
基复合材料的横截面扫描电镜照片。
[0010]图5显示了根据本专利技术的实施例1制备的Zr
70
Ta
30
纳米片增强Ti
90
Mo
10
基复合材料在拉伸过程中的应力
‑
应变曲线。
[0011]图6显示了根据本专利技术的实施例2制备的Zr
60
Ta
40
纳米片增强Ti
85
Mo
15
基复合材料的高能X射线衍射图谱。
[0012]图7显示了根据本专利技术的实施例2制备的Zr
60
Ta
40
纳米片增强Ti
85
Mo
15
基复合材料的横截面扫描电镜照片。
[0013]图8显示了根据本专利技术的实施例2制备的Zr
60
Ta
40
纳米片增强Ti
85
Mo
15
基复合材料在拉伸过程中的应力
‑
应变曲线。
[0014]图9显示了根据本专利技术的实施例3制备的Zr
50
Ta
50
纳米片增强Ti
80
Mo
20
基复合材料的高能X射线衍射图谱。
[0015]图10显示了根据本专利技术的实施例3制备的Zr
50
Ta
50
纳米片增强Ti
80
Mo
20
基复合材料的横截面扫描电镜照片。
[0016]图11显示了根据本专利技术的实施例3制备的Zr
50
Ta
50
纳米片增强Ti
80
Mo
20
基复合材料在拉伸过程中的应力
‑
应变曲线。
具体实施方式
[0017]根据本专利技术，为了解决现有的钛合金在保持单一BCC结构时，其强度(包括屈服强度和拉伸强度)和延伸率难以实现较高匹配的问题，本专利技术提供了一种Zr
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Ta纳米片增强Ti
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Mo基(简记为Zr
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Ta/Ti
‑
Mo)复合材料及制备方法，所制备的Zr
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.Zr
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Ta纳米片增强Ti
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Mo基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：A)将Zr
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Ta板和Ti
‑
Mo板按照Ti
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Mo/Zr
‑
Ta/Ti
‑
Mo/Zr
‑
Ta
……
Ti
‑
Mo/Zr
‑
Ta/Ti
‑
Mo的顺序交替堆叠，共堆叠21层，其中所述Zr
‑
Ta板是Ta的质量百分含量为30～50％，尺寸为(100
‑
140mm)
×
(50
‑
70mm)
×
(0.3
‑
0.5mm)的Zr
‑
Ta板，Ti
‑
Mo板是Mo的质量百分含量为10～20％，尺寸为(100
‑
140mm)
×
(50
‑
70mm)
×
(1.7
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1.5mm)的Ti
‑
Mo板，将堆叠的Ti
‑
Mo板和Zr
‑
Ta板放入包套内，然后将上钛板和下钛板通过氩弧焊的方式焊合，并通过包套预留的方孔对包套抽真空至0.1～1Pa的真空度范围，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到包套板坯，其中，所述包套包括两端折弯的上钛板和两端折弯的下钛板，包套的侧面设有所述方孔，上钛板和下钛板均选用商用纯钛；B)将包套板坯加热到600～700℃并保温20～30min，完成挤压前预热；将预热后的包套板坯在600吨卧式挤压机上以15～25mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在400～500℃，挤压比为0.3～0.5；C)将挤压后的包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为500～600℃，保温10～30min；加热完成后将包套板坯放入轧机进行3个道次的轧制，单道次变形量依次为60％～70％，55％～65％及45％～55％，轧制总变形量不低于90％～95％；轧制完成后去除包裹在堆叠的Ti
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Mo板和Zr
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Ta板外面的包套，得到Zr
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Ta微米片增强Ti
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Mo层状复合板，即具有亚微米结构的Zr
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Ta/Ti
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Mo层状复合板；D)采用线切割和/或机加工的方法从经上述步骤获得的具有亚微米结构的Zr
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Ta/Ti
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Mo层状复合板上切割原材料板材，并通过对其进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面的具有亚微米结构的Zr
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Ta/Ti
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Mo层状复合板；E)制作第二包套板坯，其中，第二包套板坯所用的第二包套包括两端折弯的上铁板和两端折弯的下铁板，第二包套的侧面设有用于透气的方孔，上下铁板选用商用纯铁，包括：首先将80～120块具有亚微米结构的Zr
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Ta/Ti
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Mo层状复合板进行堆垛，并将堆垛好的Zr
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Ta/Ti
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Mo层状复合板放入下铁板内，然后将上铁板和下铁板通过氩弧焊的方式焊合，并通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭顺，黄豪，张慧慧，丁旺，沈宝国，刘海霞，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：