专利名称：一种单相α＂钛合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及钛合金的制备方法，尤其是涉及一种形变型a “单相钛合金的制备方 法。
背景技术：
钛合金是一种新型结构材料，它具有优异的综合性能，如密度低，比强度和比断 裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧性良好，抗蚀性能优异，某些钛合金的最 高工作温度为550°C，预期可达700°C。因此它在航空、航天、化工、造船等工业部门获得日 益广泛的应用，发展迅猛。同时，由于钛及其合金的优异抗蚀性能，良好的力学性能，以及 合格的组织相容性，使它可用于制作假体装置，植入型动脉支架等生物材料。目前，市场 上出现的Ti合金材料主要为a，a+0和0钛合金。a钛合金主要有Ti_5Al_2. 5Sn、 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 等，a +旦合金有 Ti-15Zr-4Nb-4Ta_0. 2Pd、Ti_6Al_4V、 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 等，0 钛合金有 Ti_13V-llCr_3Al、Ti-15Mo_2. 5Nb_0. 2Si、 Ti-16Nb-9. 5Hf和Ti-15Mo等。Ti合金的主要相结构有四种类型高温相bcc 3相，空间 群Im3w (No. 229)，低温 a 相(P63/mmc, No. 194)， 相(P6/mmm, No. 191)和正交 a “相 (Cmcm, No. 63)。a相和0相是当前钛合金的主体。《相通常以细小的晶粒出现在0 a 〃界 面位置，通过钉扎日/a “界面的移动，起到阻碍日/a “马氏体相变的进行(T.Yano， Y.Murakami, D. Shindo, S. Kuramoto, Acta Mater. 57 (2009) 628—633.) 。a “才目
马氏体相，通常观察到是在从0到a “马氏体转变过程中，被认为是不稳定相。同时据申 请人所知，至今为止对单相的a “钛合金的制备及其力学行为的研究在国际上还没有报道 过
发明内容
本发明的目的旨在提供一种a “单相钛合金的制备方法，该合金具有高的室温结 构稳定性，在变形过程中不发生相变，并能达到通过变形提高合金强度。为了能达到上述目的，本发明采用的技术方案的步骤如下本发明选用纯度为> 99.9atm%的Ti，Zr，Nb和Sn，重量百分比分别是为Ti为 60% 70%，Zr为5% 15%，Nb为10% 18%和Sn为8% 12% ；采用真空电弧炉熔 炼制备母合金；使用Cu模真空吸铸的方法制备得到a “单相钛合金。在上述比例中还可添加重量百分比为< 5% Al、Si、Mo、Ta或Pd元素。所述的制备得到a “单相钛合金，在整个拉伸过程中没有相变发生，屈服强度为 400MPa，拉伸应变> 15% ；通过冷轧变形，也没有新相发生，但拉伸屈服强度超过900MPa。上述过程中，采用Cu模吸铸的Ti合金为单相的a “相；在塑性变形过程中，没 有新相的形成，只发生晶粒取向的变化和织构的形成。主要织构为(020)，(002)，(021)/ [200]。
本发明具有的有益效果是1)通过合金化方法，直接熔炼制备得到一种CI “单相的Ti合金。2)该合金结构稳定，在大变形过程中没有相变发生，适用于冲压变形。3)具有明显的加工硬化现象，通过变形能显著提高合金的强度。
图1是实施例1制备的钛合金的XRD表征和Rietveld精炼结果，bcc 0相Ti合 金XRD列出作为比较。X射线波长0. 12644埃。图2是实施例1制备的a “单相钛合金拉伸应力应变曲线。图3是实施例1制备的a “单相钛合金循环应力应变曲线。图4是实施例1制备的a “单相钛合金拉伸时相结构随应力变化的XRD表征图。图5是实施例1制备的a “单相钛合金在拉伸断裂，50%轧制压下量，50%轧制后 拉伸断裂时XRD表征图。Rietveld精炼结果为a “单相钛合金在拉伸断裂后XRD。图6是实施例2制备的钛合金的XRD表征，X射线波长0. 12644埃。图7是实施例3制备的钛合金的XRD表征，X射线波长0. 12644埃。图8是实施例4制备的钛合金的XRD表征，X射线波长0. 12644埃。
具体实施例方式实施例1 按照制备过程进行。选用纯度为> 99.9atm%原料，按成分为Ti-11% Zr-14% Nb-10% Sn(wt. %)的配比放入真空电弧熔炼炉中，真空度达到3X10_3Pa，用纯Ti吸氧，再 反复熔炼合金锭4-5次，保证不同组元混合均勻。然后再通过真空吸铸法，将熔体吸入到厚 度为1mm的铜模腔体中。XRD测量采用同步辐射光源(德国汉堡DESY，BW5实验站)，波长 0. 12644埃，光斑尺寸IX 1mm2。探测器为Mar345。图1为实验测得的XRD图。标定后为正 交的 a “单相，在 OMPa 时，点阵常数a = 3.1144 A, b = 4.9716 A和c = 4.7274 A。 图示的bcc3单相合金为上述吸铸样品重新热处理制备得到。热处理工艺为石英管密封， 1273K退火1小时后，冷水中淬火；重新用石英管密封淬火样品，673K退火1小时，然后空冷 至室温。拉伸样品选取没有铸造缺陷的1mm厚的片材，长度50mm，宽度10mm。采用电火花切 割成40mmX10mmXlmm尺寸，中间标距大小为15mmX 2mmX 1mm，样品两头各有一个Cp4mm 的孔。拉伸速率为1X10—4 s\从图2可以看出铸态样品的拉伸曲线出现明显的“双屈 服”平台。显示屈服强度较低 400MPa，塑性大于10%并具有明显的加工硬化现象。50% 轧制变形后，材料发生明显的塑性变形，通过加工硬化使得材料的屈服强度显著提高，超过 900MPa,并保持一定的拉伸塑性。从图3的循环加载曲线可以看出，当应力超过第一个平台后，卸载后应变并不能 回复，说明材料发生了塑性变形。第二个平台为材料随应力的增大，产生明显的加工硬化。 对轧制样品，没有观察到“双屈服”现象，但材料的屈服强度显著提高，远超过铸态样品。图4显示了铸态样品在拉伸过程中的结构变化，没有新相产生，但出现明显的织 构。
轧制选取无缺陷的片材，首先进行两侧面的抛光至镜面。将片状样品夹在两片不 锈钢钢片之间，利用轧机在大约0. 02mm/步的压下量进行轧制。选取不同压下量的样品， 进行结构表征(图5)，显示合金在轧制时没有新相的产生，同时材料的屈服强度显著提高 (图2)，超过900MPa。轧制样品的XRD与拉伸断裂后的铸态样品的XRD很相似，说明不同的 应力状态对最终的塑性变形的显微结构影响并不大。主要织构为(020) (002) (021)晶面和 [200]取向，在拉伸断裂后的样品中，a “相的点阵常数变为a = 3. 0045 □，b = 5. 0482 □ 和 c = 4. 7535 □。实施例2 按照制备过程进行。选用纯度为> 99.9atm%原料，按成分为Ti-15% Zr-12% Nb-12% Sn(wt. %)的配比放入真空电弧熔炼炉中，真空度达到3X10_3Pa，用纯Ti吸氧，再 反复熔炼合金锭4-5次，保证不同组元混合均勻。然后再通过真空吸铸法，将熔体吸入到厚 度为1mm的铜模腔体中。XRD测量采用同步辐射光源(德国汉堡DESY，BW5实验站)，波长 0. 12644埃，光斑尺寸IX 1mm2。探测器为Mar345。图6为实验测得的XRD图。标定后为正 交的a “单相。实施例3 按照制备过程进行。选用纯度为> 99.9atm%原料，按成分为Ti-6% Zr-18% Nb-8% Sn(wt. % )的配比放入真空电弧熔炼炉中，真空度达到3X10_3Pa，用纯Ti吸氧，再 反复熔炼合金锭4-5次，保证不同组元混合均勻。然后再通过真空吸铸法，将熔体吸入到厚 度为1mm的铜模腔体中。XRD测量采用同步辐射光源(德国汉堡DESY，BW5实验站)，波长 0. 12644埃，光斑尺寸IX 1mm2。探测器为Mar345。图7为实验测得的XRD图。标定后为正 交的a “单相。实施例4 按照制备过程进行。选用纯度为> 99.9atm%原料，按成分为Ti-11% Zr-14% Nb-10% Sn-3% Mo (wt. % )的配比放入真空电弧熔炼炉中，真空度达到3 X 10_3Pa，用纯Ti 吸氧，再反复熔炼合金锭4-5次，保证不同组元混合均勻。然后再通过真空吸铸法，将熔体 吸入到厚度为1mm的铜模腔体中。XRD测量采用同步辐射光源(德国汉堡DESY，BW5实验 站)，波长0. 12644埃，光斑尺寸IX 1mm2。探测器为Mar345。图8为实验测得的XRD图。标 定后为正交的a “单相。
权利要求
一种α″单相钛合金的制备方法，其特征在于选用纯度为＞99.9atm％的Ti，Zr，Nb和Sn，重量百分比分别是为Ti为60％～70％，Zr为5％～15％，Nb为10％～18％和Sn为8％～12％；采用真空电弧炉熔炼制备母合金；使用Cu模真空吸铸的方法制备得到α″单相钛合金。代表性的合金成分，如Ti65Zr11Nb14Sn10。
2.根据权利要求1所述的一种α“单相钛合金的制备方法，其特征在于在上述比例 中还添加重量百分比为< 5% Al、Si、Mo、Ta或Pd元素。
3.根据权利要求1所述的一种α“单相钛合金的制备方法，其特征在于所述的制备 得到α ‘‘单相钛合金，在整个拉伸过程中没有相变发生，屈服强度为400MPa，拉伸应变> 15% ；通过冷轧变形，也没有新相发生，但拉伸屈服强度超过900MPa。
全文摘要
本发明公开了一种α″单相(正交结构)钛合金的制备方法。选用纯度为＞99.9atm％的Ti，Zr，Nb和Sn，重量百分比分别是为Ti为60％～70％，Zr为5％～15％，Nb为10％～18％和Sn为8％～12％；采用真空电弧炉熔炼制备母合金；使用Cu模真空吸铸的方法制备得到α″单相钛合金。本发明通过合金化方法，直接熔炼制备得到一种α″单相的Ti合金；该合金结构稳定，在大变形过程中没有相变发生，适用于冲压变形；具有明显的加工硬化现象，通过变形能显著提高合金的强度。
文档编号B22D21/00GK101850415SQ201010203999
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者楼鸿波, 王晓东, 蒋建中 申请人:浙江大学