一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，属于粉末冶金钛合金领域。本发明专利技术以纯钛粉末为原料，经高能球磨后，在室温下固溶空气中的氧和氮，然后经过室温压制，高温热挤压获得高性能的Ti

【技术实现步骤摘要】
一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法


[0001]本专利技术属于粉末冶金法制备钛合金材料的
，尤其涉及一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法。

技术介绍

[0002]钛及钛合金具有比强度高、良好的耐腐蚀性和耐高温性，同时具有优异的生物相容性，被广泛应用于航空、航天、医学、汽车、化工、能源等领域。然而，纯钛的机械性能不能满足机械结构部件的要求。另一方面，目前广泛使用的钛合金大多含有昂贵的β稳定剂，如Mo、V、Cr、Ni等，其较高的生产成本限制了钛合金的大范围推广使用。因此，开发一种用廉价元素代替稀有金属的钛合金是制备低成本钛合金的关键。
[0003]氧(O)、氮(N)、氢(H)和碳(C)等普遍存在的轻元素可以取代上述金属元素。氧以间隙原子的形式固溶在α
‑
Ti的八面体间隙中，是一种有效的强化元素，但氧气在提高钛合金强度的同时牺牲了脆性，因此钛合金中氧含量受到限制。α
‑
Ti、(α+β)
‑
Ti和β
‑
Ti的氧含量不能超过0.5wt.％,粉末冶金Ti
‑
6Al
‑
4V合金为0.33wt.％。这是由于氧元素会显著影响钛合金的显微组织和力学性能，一方面会促进α相从β相中析出、促进α2沉淀析出、诱发马氏体和含氧簇；另一方面会抑制变形孪晶、通过细小的析出相阻碍变形。因此如何解决钛合金中氧含量存在一个较低的阈值成为需要攻克的难题之一。
[0004]有研究表明，当氧含量远远超过以前公认的阈值时，粉末冶金制造的钛合金保持了高强度和良好的延展性。这是因为粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分的偏析，消除粗大和不均匀的组织。钛合金中氧原子的不均匀分布会削弱其强化效率，不均匀分布的氧原子在富集区会因其脆化效应形成脆性岛，在变形过程中因应力集中而过早断裂。因此如何实现氧在钛基体中的均匀分散是制备高性能的钛合金的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出了一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，该方法通过粉末冶金的简易室温固溶制备了等效氧含量为0.26
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2.08wt.％的Ti
‑
O材料。首先，不以TiO2为原料引入氧降低了合金成本。同时，在室温下利用球磨过程中粉末获得的能量固溶环境中的氧、氮可以使固溶原子均匀分散，提高氧、氮的强化效率。最后，本专利技术还发现了在高能球磨过程中将球磨时间优化为60min，并在室温下利用该球磨过程中粉末获得的能量固溶环境中的氧、氮后得到的钛氧合金材料，其综合力学性能明显优于应用最广泛的Ti
‑
6Al
‑
4V合金；本专利技术工艺简单、无需额外设备即可解决氧原子均匀分散的问题，保证最终钛合金具有优良的力学性能，为粉末冶金钛及钛合金固氧提供了新思路，有利于推动粉末冶金钛合金工业化发展。
[0006]本专利技术具体是通过以下技术方案来实现的：
[0007]本专利技术提供了一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，包括：
[0008]将纯钛粉进行高能球磨，球磨时间为15
‑
240min，球磨后得到不同能量的纯钛粉
末；
[0009]将球磨后的所述纯钛粉末取出，在室温下于空气中放置一段时间，固溶环境中的氧和氮；
[0010]将固溶后的所述纯钛粉末进行压制获得压坯试样；
[0011]将所述压坯试样进行热挤压，最终获得高性能的钛氧合金材料。
[0012]作为本专利技术的进一步说明，所述球磨时间为60min。
[0013]作为本专利技术的进一步说明，将纯钛粉进行高能球磨时，采用直径10mm的氧化锆磨球，球料比为1:1，球磨转速为200rpm/min。
[0014]作为本专利技术的进一步说明，所述纯钛粉选用小于150微米的球形粉末。
[0015]作为本专利技术的进一步说明，将纯钛粉进行高能球磨过程中，在开始前对球磨罐进行通氩气处理。
[0016]作为本专利技术的进一步说明，所述将固溶后的所述纯钛粉末进行压制获得压坯试样的过程具体包括：
[0017]将固溶后的所述纯钛粉末装入石墨模具中，采用600MPa的压力进行压制，保压时长为1min，获得压坯试样。
[0018]作为本专利技术的进一步说明，所述将所述压坯试样进行热挤压，最终获得高性能的钛氧合金材料的过程具体包括：
[0019]将所述压坯试样在1000℃保温5min；随后放入预热至400℃的挤压模具中进行挤压，最终获得表面光滑无裂纹的钛氧合金挤压棒材。
[0020]作为本专利技术的进一步说明，所述压坯试样的加热保温过程在箱式电阻炉中进行。
[0021]作为本专利技术的进一步说明，所述热挤压过程中的挤压比为37。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0023](1)本专利技术解决了高氧含量Ti
‑
O材料延展性差的问题，降低了钛合金的成本同时提高了性能，有利于钛合金在更多领域的广泛应用。
[0024](2)在室温下通过球磨过程中粉末获得的能量在空气固溶氧、氮，有利于固溶原子均匀分散，可以提高钛合金中氧含量的阈值，同时提高钛合金的性能，而且为粉末冶金钛及钛合金固氧提供了新思路。
[0025](3)通过室温压制、高温热挤压，保证钛合金晶粒细小，同时还可实现钛合金致密化，从而获得高性能钛合金。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例1制备Ti
‑
O材料的流程示意图；
[0027]图2为本专利技术实施例1制备的不同球磨时间Ti
‑
O材料的氧含量、氮含量、等效氧含量曲线；
[0028]图3为本专利技术实施例1制备的不同球磨时间Ti
‑
O材料的EBSD结果；
[0029]图4为本专利技术实施例1制备的不同球磨时间Ti
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O材料的XRD测试曲线；
[0030]图5为本专利技术实施例1制备的球磨时间为60min的Ti
‑
O材料的TEM分析；
[0031]图6为本专利技术实施例1制备的不同球磨时间Ti
‑
O材料的拉伸曲线；
[0032]图7为本专利技术实施例1制备的球磨时间为60、90、120min的Ti
‑
O材料的拉伸断口SEM
形貌。
具体实施方式
[0033]为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0034]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。
[0035]本专利技术提供了一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，包括：
[0036]将纯钛粉进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，其特征在于，包括：将纯钛粉进行高能球磨，球磨时间为15
‑
240min，球磨后得到不同能量的纯钛粉末；将球磨后的所述纯钛粉末取出，在室温下于空气中放置一段时间，固溶环境中的氧和氮；将固溶后的所述纯钛粉末进行压制获得压坯试样；将所述压坯试样进行热挤压，最终获得高性能的钛氧合金材料。2.根据权利要求1所述的低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，其特征在于，所述球磨时间为60min。3.根据权利要求1所述的低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，其特征在于，将纯钛粉进行高能球磨时，采用直径10mm的氧化锆磨球，球料比为1:1，球磨转速为200rpm/min。4.根据权利要求1所述的低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，其特征在于，所述纯钛粉选用小于150微米的球形粉末。5.根据权利要求1所述的低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彪，陈明菊，李金山，万杰，寇宏超，王军，唐斌，樊江昆，赖敏杰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：