權利要求

1.變織構鈦材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，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，所述鈦合金中添加的元素需不會使鈦合金的α+β兩相區(qū)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，使所述坯料通過熱擠壓模孔；其中，所述熱擠壓過程需要在跨越所述純鈦或鈦合金坯料相變點前后的時間段內完成。2.根據權利要求1所述的變織構鈦材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述純鈦或鈦合金預熱溫度為900～1500℃。 3.根據權利要求1所述的變織構鈦材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述擠壓筒和所述擠壓模的預熱溫度為300～800℃。 4.根據權利要求1所述的變織構鈦材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述熱擠壓過程中的擠壓速率為1～10mm/s。 5.根據權利要求1所述的變織構鈦材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述熱擠壓過程中的擠壓比為16:1～64:1。 6.根據權利要求1所述的變織構鈦材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述高壓預成型過程具體為：將純鈦粉或包含所需元素成分的鈦合金粉末裝入模具中，在室溫下加高壓成型；其中，所述所需元素成分需不會使鈦合金的α+β兩相區(qū)擴大。 7.根據權利要求6所述的變織構鈦材料的粉末冶金制備方法，其特征在于，所述高壓預成型的壓力不低于300MPa，保壓時間不低于1min。

說明書

技術領域

本發(fā)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(yī)療衛(wèi)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(yī)療衛(wèi)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(jié)、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(fā)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(yī)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(tài)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(wěn)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(wěn)定性好，有良好的韌性，熱處理后的強度與退火態(tài)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(wěn)定元素或β穩(wěn)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(fā)新的鈦合金，使用對人體無害的元素作為相穩(wěn)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(yè)，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(jié)處，載荷的情況較為復雜，同一關節(jié)的不同位置所受載荷可能不同，關節(jié)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(xù)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?，F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(xù)材料中呈現雙織構的研究。

發(fā)明內容

純鈦中α+β兩相區(qū)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。

鈦合金中的中性元素，可以與鈦無限固溶，不會使鈦合金的α+β兩相區(qū)擴大，如鋯、鉿等(如圖1所示)；鈦合金中某些元素雖然不能與鈦無限固溶，但其含量在一定限度內時，也不會使鈦的兩相區(qū)擴大，如鎵(原子比不大于15％)、錫(原子比不大于15％)等(如圖1所示)。將僅含上述元素的鈦合金也進行與純鈦相似的加工，也可以在同一連續(xù)材料中獲得變織構。

為了制備出結構連續(xù)而組織變化、適應復雜載荷環(huán)境的鈦材料，針對純鈦和僅加入了不會使鈦的α+β兩相區(qū)擴大的元素的鈦合金，本申請?zhí)岢隽艘环N變織構鈦材料的粉末冶金制備方法。

本發(fā)明具體是通過以下技術方案來實現的：

本發(fā)明提供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，所述鈦合金中添加的元素需不會使鈦合金的α+β兩相區(qū)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，使所述坯料通過熱擠壓?？?；其中，所述熱擠壓過程需要在跨越所述純鈦或鈦合金坯料相變點前后的時間段內完成。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述純鈦或鈦合金預熱溫度為900～1500℃。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述擠壓筒和所述擠壓模的預熱溫度為300～800℃。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述熱擠壓過程中的擠壓速率為1～10mm/s。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述熱擠壓過程中的擠壓比為16:1～64:1。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述高壓預成型過程具體為：將純鈦粉或包含所需元素成分的鈦合金粉末裝入模具中，在室溫下加高壓成型；其中，所述所需元素成分需不會使鈦合金的α+β兩相區(qū)擴大。

作為本發(fā)明的進一步說明，所述高壓預成型的壓力不低于300MPa，保壓時間不低于1min。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果：

1.純鈦不存在兩相區(qū)，而鈦合金(僅含鋯、鉿、鎵和錫等元素)具有狹窄的兩相區(qū)；鈦合金(僅含鋯、鉿、鎵和錫等元素)的β轉變線與兩相區(qū)下界十分接近，對β→α相變的影響很小。將純鈦及鈦合金預熱到β轉變點以上，在擠壓過程中會因熱流失而降溫，在β轉變點以上擠壓出的部分可以在擠壓過程中獲得晶粒擇優(yōu)取向的β鈦，該部分在熱流失過程中跨越了相變點，因此冷卻到相變點以下可獲得晶粒取向分布較廣的α鈦；而冷卻到β轉變點以下才被擠壓出的部分，是在已經處于α態(tài)時完成擠壓的，因此不會再發(fā)生相變，的擇優(yōu)取向也能保留下來。由此，可以在同一結構連續(xù)的材料上獲得變化的織構。

2.不同擠壓速率、擠壓比與純鈦或鈦合金(僅含鋯、鉿、鎵和錫等元素)預熱溫度相結合可以控制所得擠壓材料不同構織構段的比例，獲得滿足不同需求的材料。

3.本發(fā)明主要利用不存在兩相區(qū)的純鈦及兩相區(qū)狹窄的鈦合金(僅含元素鋯、鉿、鎵和錫等元素)、熱擠壓過程的熱流失以及相變的晶粒取向變化來獲得變織構材料，而可以突破除材料預熱溫度之外其他工藝參數的限制，如預熱溫度，升溫速率、保溫時間，擠壓速率和擠壓比等。

4.本發(fā)明所述方法，不僅對純鈦適用，對于添加了不會使鈦的兩相區(qū)擴大的元素的鈦合金同樣適用，因此也可以用于加工較高強度的鈦合金。

附圖說明

圖1為本發(fā)明參考的含有不會使鈦兩相區(qū)擴大的元素(如鋯、錫、鉿、鎵等)對鈦兩相區(qū)及β轉變線的影響示意圖。

圖2為本發(fā)明實例1中得到的擠壓材料所述的分段方式。

圖3(a-e)為本發(fā)明實施例1中使用純鈦得到的擠壓材料中不同段的微觀組織。

圖4(a-e)為本發(fā)明實施例2中使用純鈦得到的擠壓材料中不同段的微觀組織。

圖5(a和b)為本發(fā)明實施例3中使用TC4得到的擠壓材料中不同段的微觀組織。

圖6為本發(fā)明實施例3中參考的TC4的相區(qū)示意圖。

具體實施方式

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供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，所述鈦合金中添加的元素需不會使鈦合金的α+β兩相區(qū)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，使所述坯料通過熱擠壓?？祝黄渲?，所述熱擠壓過程需要在跨越所述純鈦或鈦合金坯料相變點前后的時間段內完成。

純鈦不存在兩相區(qū)，而鈦合金(僅含鋯、鉿、鎵和錫等元素)具有狹窄的兩相區(qū)；鈦合金(僅含鋯、鉿、鎵和錫等元素)的β轉變線與兩相區(qū)下界十分接近，對β→α相變的影響很小。將純鈦及鈦合金預熱到β轉變點以上，在擠壓過程中會因熱流失而降溫，在β轉變點以上擠壓出的部分可以在擠壓過程中獲得晶粒擇優(yōu)取向的β鈦，該部分在熱流失過程中跨越了相變點，因此冷卻到相變點以下可獲得晶粒取向分布較廣的α鈦；而冷卻到β轉變點以下才被擠壓出的部分，是在已經處于α態(tài)時完成擠壓的，因此不會再發(fā)生相變，的擇優(yōu)取向也能保留下來。由此，可以在同一結構連續(xù)的材料上獲得變化的織構。

在一種優(yōu)選的方式中，所述純鈦或鈦合金預熱溫度為900～1500℃。

由以上分析可知，鈦材料預熱溫度的下限必須高于材料的β轉變點(純鈦為882℃)。而將鈦材料的預熱溫度與擠壓模具的預熱溫度、擠壓速率相結合，可以制備不同長度的變織構鈦材料。若想獲得較長的隨機取向晶粒，則溫度高于相變點時擠壓出的部分應該盡量長，純鈦或鈦合金材料和擠壓模具均應采用較高預熱溫度，同時采用較低擠壓速率。因此，純鈦或鈦合金材料預熱溫度的上限可逼近熔點(純鈦為1668℃)。故所述純鈦或鈦合金優(yōu)選預熱溫度為900～1500℃。

在一種優(yōu)選的方式中，所述擠壓筒和所述擠壓模的預熱溫度為300～800℃。

由于完成擠壓需要一定時間，而鈦材料所需預熱溫度很高，因此需要控制鈦材料的熱流失速率來控制降溫速率。為配合鈦材料的預熱溫度和擠壓速率，若需要較快的熱流失速率，鈦材料與擠壓模的溫差應較大，擠壓模需要較低的預熱溫度；若需要較慢的熱流失速率，鈦材料與擠壓模的溫差應較小，擠壓模需要較高的預熱溫度。故所述擠壓筒和所述擠壓模預熱溫度優(yōu)選為300～800℃。

在一種優(yōu)選的方式中，所述熱擠壓過程中的擠壓速率為1～10mm/s；所述熱擠壓過程中的擠壓比為16:1～64:1。

在本發(fā)明中，要獲得變織構，必須通過控制工藝來保證鈦材料在擠壓過程中跨越相變點。鈦材料的預熱溫度必須高于相變點，同時配合合適的模具預熱溫度使鈦材料具有合適的熱流失速率，并且控制合適的擠壓速率。以上三者結合，才可以使得熱擠壓過程中鈦材料在被擠壓的同時經歷熱流失而剛好跨越相變點，才能在連續(xù)材料中獲得變織構；鈦材料預熱溫度、擠壓模具預熱溫度和擠壓速率的配合使用也可以控制制備出的不同織構段的長度，因此綜合考慮后，優(yōu)選為擠壓速率為1～10mm/s；擠壓比為16:1～64:1。

在一種優(yōu)選的方式中，所述高壓預成型過程具體為：將純鈦粉或包含所需元素成分的鈦合金粉末裝入模具中，在室溫下加高壓成型；其中，所述所需元素成分需不會使鈦合金的α+β兩相區(qū)擴大。

進一步的，所述高壓預成型的壓力不低于300MPa，保壓時間不低于1min。

以下以優(yōu)選的實施例進行具體說明。

實施例1

本實施例使用的鈦材料為純鈦。

步驟1，高壓預成型：將等效粒徑為20μm的純鈦粉末裝入直徑42mm的模具中，在室溫下加600MPa高壓預成型，保壓1min。

步驟2，材料和擠壓模具預熱：將預成型的純鈦預以2℃/s的升溫速率預熱至1100℃，保溫5min。同時將擠壓筒和擠壓模預熱至400℃。

步驟3，熱擠壓：將預熱的純鈦坯料迅速轉移至已預熱的內徑43mm的熱擠壓筒內，壓頭以6mm/s的速率擠壓，使坯料通過內徑為7mm熱擠壓?？?，擠壓比為37:1。然后使材料自然冷卻。

對上述擠壓后的純鈦按照如圖2所示方式分段，取每段材料觀察其微觀組織，其微觀組織如圖3所示。圖3所標識的L1～L9與圖2中所示一一對應。由于純鈦坯料的預熱溫度達到1100℃，已經達到鈦的β轉變點以上，因此熱擠壓中最先被擠出的部分材料是在β態(tài)被擠出，并伴隨有晶粒的擇優(yōu)取向。隨著自然冷卻，該部分材料跨越β轉變點，轉變?yōu)棣菱?。相變過程中，晶粒取向發(fā)生變化，只有一部分擇優(yōu)取向織構被保留，且晶粒的形態(tài)發(fā)生變化，因此得到圖3(a和b)所示的形狀隨機且晶粒取向分布較廣的α鈦；而冷卻到β轉變點以下才被擠壓出的部分，是在已經處于α態(tài)時完成擠壓的，因此不會再發(fā)生相變，晶粒的擇優(yōu)取向也能保留下來，最終得到的是具有強烈擇優(yōu)取向的等軸晶，如圖3(c-e)所示。

實施例2

本實施例使用的鈦材料為純鈦。

步驟1，高壓預成型：將等效粒徑為45μm的純鈦粉末裝入直徑30mm的模具中，在室溫下加650MPa高壓預成型，保壓5min。

步驟2，材料和擠壓模具預熱：將預成型的純鈦預以4℃/s的升溫速率預熱至1000℃，保溫15min。同時將擠壓筒和擠壓模預熱至400℃。

步驟3，熱擠壓：將預熱的純鈦坯料迅速轉移至已預熱的內徑30mm的熱擠壓筒內，壓頭以3mm/s的速率擠壓，使坯料通過內徑為7mm熱擠壓?？?，擠壓比為18:1。然后使材料自然冷卻。

對上述擠壓后的純鈦按照如圖2所示方式分段，取每段材料觀察其微觀組織，其微觀組織如圖4所示。圖4所標識的L1～L9與圖2中所示對應。由于純鈦坯料的預熱溫度達到1000℃，已經達到鈦的β轉變點以上，因此熱擠壓中最先被擠出的部分材料是在β態(tài)被擠出，并伴隨有晶粒的擇優(yōu)取向。隨著自然冷卻，該部分材料跨越β轉變點，轉變?yōu)棣菱?。相變過程中，晶粒取向發(fā)生變化，只有一部分擇優(yōu)取向織構被保留，且晶粒的形態(tài)發(fā)生變化，因此得到圖4(a和b)所示的形狀隨機且晶粒取向分布較廣的α鈦；而冷卻到β轉變點以下才被擠壓出的部分，是在已經處于α態(tài)時完成擠壓的，因此不會再發(fā)生相變，晶粒的擇優(yōu)取向也能保留下來，最終得到的是具有強烈擇優(yōu)取向的等軸晶，如圖4(c-e)所示。

綜合實施例1和實施例2，可以印證從β轉變點以上開始對純鈦進行熱擠壓，隨著熱流失的進行和相變的出現，在擠壓材料的不同部分可以得到不同織構。

實施例3

本實施例作為實施例1的對比例。

本對比例使用的鈦粉為等效粒徑為20μm的TC4(Ti-6Al-4V)粉末；所用其他工藝參數與實施例1相同。所得的擠壓棒材按照圖2所示的分段方式取樣，對其微觀結構進行表征，其微觀組織如圖5所示。圖5所標識的L1和L9與圖2中所示對應。

TC4同時含有α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素，其α+β兩相區(qū)擁有很大的溫度區(qū)間，如圖6所示。TC4的β轉變溫度為995℃，當其從預熱爐中轉移到擠壓模具的過程中，由于熱流失，其溫度已經降到α+β雙相區(qū)；在擠壓的全過程中，TC4也始終處于α+β雙相區(qū)的溫度區(qū)間內。由于整個擠壓棒材在擠壓的全過程中都處于同一個相區(qū)，當TC4最終降至室溫時，所得到的織構也是相同的，如圖5所示。

對比實施例1和實施例3，可以印證，在加入了α穩(wěn)定元素或β穩(wěn)定元素的鈦合金中，由于在熱擠壓過程中同一連續(xù)材料始終處于同一相區(qū)，最終得到的織構是相同的，不能得到變織構的材料。

最后應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍。

變織構鈦材料的粉末冶金制備方法.pdf