一种低弹性模量高强度钛合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低弹性模量高强度钛合金及其制备方法，合金由铌、锆、铪和钛组成，原子百分含量分别为铌18at％，锆0～9at％，铪0～9at％，且锆和铪之和为0～9at％，余量为钛。采用真空自耗/非自耗电弧炉熔炼成Ti-Nb-Zr(Hf)铸锭，将铸锭进行均匀化处理后开坯锻造，然后进行中间锻造，逐渐从1000℃降温至900℃，锻成中间板坯，板坯进行固溶处理，冷却，获得具有一定比例斜方马氏体相和残余β相的组织；冷轧，变形量大于60％，获得弹性模量为50～60GPa，室温下轧制方向抗拉强度超过850MPa，延伸率6～15％的低弹模高强钛合金板材。本发明专利技术的合金可以广泛用于眼镜架、体育器材和生物医学器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，具体为一种低弹性模量高强度T1-Nb-Zr(Hf)合金材料及其制备方法，属于体育用品领域、消费品领域和生物医用材料领域。
技术介绍
钛合金具有良好的生物相容性和抗体液腐蚀性能，其弹性模量约为80 IlOGPa，与人体组织最为接近(10 30GPa)，可以减轻金属种植体与骨组织之间的不适应性，在生物医用等领域得到广泛的应用。目前临床上应用最为广泛的钛合金仍是纯钛和T1-6A1-4V合金，但T1-6A1-4V合金的弹性模量高(约为IlOGPa)，同时认为Al元素会引起骨软化，V也是具有生物毒性的。据此人们特别开发了医学领域应用的钛合金，主要添加无毒元素Fe、Nb、Ta、Zr、Mo、Sn，主要有 Ti_15Mo, T1-12Mo-6Zr-2Fe, T1-15Mo_3Nb，Ti_13Nb_13Zr (E =79GPa)等。最近大量的研究集中在T1-Nb-Ta-Zr系合金上，如T1-35Nb_7Zr_5Ta，其弹性模量为52GPa，但其强度在未渗氮处理前只有530MPa。目前，关于T1-Nb-Zr方面的相关专利包括申请号为201110056103，专利技术名称为《低弹高强近β型T1-Nb-Ta-Zr合金及其制备方法》的专利技术专利，重量百分比为:铌28% -32%，钽4% -5.5%，锆5% -15%，余量为钛。经真空非自耗电弧炉熔炼成纽扣状T1-Nb-Ta-Zr铸锭；将铸锭经热锻后，锻成尺寸为3mmX 30mmX 70mm的薄板状；经线切割后的试样在750 800°C固溶处理，水淬，获得单相β组织；固溶后的试样在450 500°C时效处理，空冷，获得β相+弥散α相的两相组织。该合金中添加了 Ta，提高了制备成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种低弹性模量、高强度、生物相容性好的T1-Nb-Zr (Hf)合金及其制备方法。该合金可以广泛用于制作眼镜架、体育器材和生物医用器件。本专利技术的低弹性模量高强度钛合金，具体为T1-Nb-Zr(Hf)合金，所述合金由铌、锆、铪和钛组成，其原子百分含量为:铌18at%，锆O 9at%，铪O 9at%，且锆和铪之和为O 9at%，余量为钛，并且上述各成分的含量之和为100%。优选的，锆为I 9at% ;更优选的，锆为3 9at%。优选的，铪为I 9at% ;更优选的，铪为I 4at%。所述钛合金的价电子数(e/a)约为4.13。冷轧后所得合金的弹性模量为50 60GPa，冷轧后室温下轧制方向抗拉强度均超过850MPa，延伸率为6% 15%。本专利技术还提供了上述低弹性模量高强度钛合金(T1-Nb-Zr(Hf)合金)的制备方法，工艺步骤为: (I)按照上述配比进行配料，将称取的市售钛、铌、锆和/或铪原料放入非自耗真空电弧炉内熔炼成T1-Nb-Zr (Hf)合金铸锭；或将市售钛、铌、锆和/或铪原料压制成自耗电极，放入真空自耗电弧炉内，熔炼成T1-Nb-Zr (Hf)合金铸锭；(2)将上述制得的T1-Nb-Zr(Hf)合金铸锭进行均匀化处理后进行开坯锻造，然后进行中间锻造，逐渐从1000°c降温至900°C，锻成一定规格的中间板坯；(3)将上述制得的板坯进行固溶处理，冷却，得到固溶态合金板坯；(4)将上述固溶态合金板坯冷轧，变形量超过60%，在空气中进行。所述均匀化处理可选择在1050 1100°C下保温2 5小时。所述的固溶处理为在850 900°C进行，时间为0.5 5小时，所述冷却的速率不低于300°C /s，以获得具有一定比例马氏体相和残余β相的组织，避免淬火ω相形成，保证冷轧顺利进行。本专利技术的低弹性模 量高强T1-Nb-Zr (Hf)合金，采用真空自耗/非自耗电弧炉熔炼加开坯锻造、中间锻造成板坯、固溶处理、冷轧工序制备板材，冷轧合金板材按照国标GB/T228-2002方法进行室温拉伸测试，所述合金的性能为:弹性模量为50 60GPa，抗拉强度不低于850MPa，延伸率6 15%。本专利技术T1-Nb-Zr(Hf)合金材料是在T1-Nb合金基础上，控制Nb含量为18at%，保证合金的价电子数(e/a)约为4.13，通过添加中性元素Zr和Hf来改变合金中的Ti/Nb原子比，进而降低合金的相变点；锻造制得的中间板坯850 900°C固溶处理后以不低于300°C/s的速度冷却，以便获得具有一定比例的斜方马氏体和残余β相组织，并避免淬火ω相的产生，保证板坯能够以不低于60%的变形量冷轧；然后通过冷轧来提高合金的强度，使得合金同时具备马氏体的弹性模量低和冷轧组织的强度高的优点；另外合金中减少了 Nb含量，可降低熔炼难度，易于熔炼均匀。本专利技术的T1-Nb-Zr(Hf)合金材料同时具有低弹性模量和高强度，是理想的眼镜架和体育器材材料；同时，T1-Nb-Zr(Hf)合金组分都为无毒元素，对人体无害，可作为生物医用材料。下面通过附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明，但并不意味着对本专利技术保护范围的限制。附图说明图1是本专利技术的Ti_18at% Nb-3at% Zr合金固溶态组织。具体实施例方式实施例1:制备Ti_18Nb合金材料(l)T1-18Nb合金，市售Ti和Nb纯金属按合金成分配比，经非自耗真空电弧炉熔炼，充分搅拌，得到T1-18Nb合金铸锭；(2)将上述制得的Ti_18Nb合金铸锭在1050°C保温2小时均匀化处理后进行开坯锻造，然后进行中间锻造，逐渐从1000°c降温至900°C，锻成中间板坯；(3)将上述制得的板坯在900°C进行固溶处理，保温I小时后，以不低于300°C /s的速度冷却，获得具有一定比例马氏体相和残余β相的组织；(4)将上述固溶态合金板坯冷轧，变形量为75%，在空气中进行，即可得到T1-18Nb合金板材。材料性能:按照国标GB/T 228-2002方法进行室温拉伸测试，弹性模量57GPa，抗拉强度900MPa，屈服强度750MPa，延伸率15%。实施例2:制备T1-18Nb_3Zr合金材料(l)T1-18Nb_3Zr合金，将市售T1、Nb和Zr纯金属按合金成分配比，经真空非自耗磁悬浮炉熔炼，得到T1-18Nb-3Zr合金铸锭；(2)将上述制得的T1-18Nb_3Zr合金铸锭在1080°C保温2.5小时均匀化处理后进行开坯锻造，然后进行中间锻造，逐渐从1000°c降温至900°C，锻成中间板坯；(3)将上述制得的板坯在850°C下保温0.5小时后，以不低于300°C /s的速度冷却，获得具有一定比例马氏体相和残余β相的组织；(4)将上述固溶态合金板坯冷轧，变形量80%，在空气中进行，即可得到T1-18Nb-3Zr合金板材。材料性能:按照国标GB/T 228-2002方法进行室温拉伸测试，弹性模量56GPa，抗拉强度950MPa，屈服强度780MPa，延伸率10%。图1为Ti_18Nb_3Zr合金固溶态组织，晶粒内板片状即为斜方马氏体。实施例3:制备T1-18Nb-3Zr_lHf合金材料(l)T1-18Nb-3Zr-lHf合金，将市售T1、Nb、Zr和Hf纯金属按合金成分配比，制备成自耗电极，经真空自耗电弧炉熔炼，得到T1-18Nb-3Zr-lHf合金铸锭；(2)将上述制得的T1-18Nb-3Zr_lHf合金铸锭在1100°C保温3小时均匀化处理后进行开坯锻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低弹性模量高强度钛合金，其特征在于：由铌、锆、铪和钛组成，其原子百分含量分别为铌18at％，锆0～9at％，铪0～9at％，且锆和铪之和为0～9at％，余量为钛。

【技术特征摘要】
1.一种低弹性模量高强度钛合金，其特征在于:由铌、锆、铪和钛组成，其原子百分含量分别为铌18at %，锆O 9at %，铪O 9at %，且锆和铪之和为O 9at %，余量为钛。2.根据权利要求1所述的低弹性模量高强度钛合金，其特征在于:所述的锆为I 9at % ο3.根据权利要求1所述的低弹性模量高强度钛合金，其特征在于:所述的铪为I 9at % ο4.根据权利要求1-3中任一项所述的低弹性模量高强度钛合金，其特征在于:所述钛合金的价电子数为4.13。5.根据权利要求1所述的低弹性模量高强度钛合金，其特征在于:所述钛合金的弹性模量为50 60GPa，室温下抗拉强度大于850MPa，延伸率为6% 15%。6.权利要求1-5中任一项所述的低弹性模量高强度钛合金的制备方法，包括下列步骤: (1)按...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晓云，叶文君，惠松骁，于洋，刘睿，付艳艳，米绪军，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：