[发明专利]一种含Si高强低模β-型钛合金及其制备方法与应用

说明书

本发明属于钛合金材料领域，公开了一种含Si高强低模β‑型钛合金及其制备方法与应用。所述制备方法为：以Ti60～70％，Nb10～20％，Zr5～15％，Ta1～10％，Si1～5％的原子百分比，以海绵钛、海绵锆、钽铌中间合金、硅为原材料配制合金组分，然后合金组分熔炼均匀，得到凝固的铸锭，再将所得铸锭进行高温塑性变形，变形温度800～900℃，变形量为60～80％，水淬至室温；最后将所得试样加热至再结晶温度，保温1～4h，退火处理后空冷至室温，得到所述含Si高强低模β‑型钛合金。本发明所得钛合金具有更高的强度、更大的塑性、更低的弹性模量以及更细小的晶粒尺寸，更适合用作医用植入件材料。

技术领域

本发明属于钛合金材料领域，具体涉及一种含Si高强低模β-型钛合金及其制备方法与应用。

背景技术

钛合金具有生物相容性好、综合力学性能优异、耐腐蚀性好等特性，现已成为国际社会开发医用产品的主流材料。钛及其合金的发展可分为三个时代：第一个时代以纯钛和Ti-6Al-4V为代表，该类材料具有较高的强度和较好的加工性能。第二个时代是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的新型α+β型钛合金，组织更为可控，在性能亦都有较大提高；第三个时代以对新型β-型钛合金的研究最为广泛。这些新型β-型钛合金一般包含Nb、Zr、Ta、Mo、Sn、Fe等元素，如Ti13Nb13Zr、Ti-24Nb-4Zr-8Sn、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-35Nb-7Zr-5Ta、Ti-29Nb-4.6Zr-13Ta、Ti-Nb-Zr-Ta-Fe等，他们具有强度高、弹性模量低、耐蚀性好、与人体生物相容性好等优点。

对于目前铸造法或塑性成形法制备的β-型钛合金而言，粗大的晶粒尺寸(至少40～60μm以上)导致了其较低的强度和较差的耐磨性。尤其是，对于医用材料而言，除了力学性能更加优异外，细晶材料在生物相容性方面也有其独特优点。由于具有更高的晶界表面能，纳米晶/超细晶材料具有比同成分粗晶材料更好的造骨细胞粘附力和生物相容性。另一方面，随着钛合金的发展，其合金元素越来越多，从刚开始的二元到现在的五元甚至更多，目的是通过引入新元素形成的新相与传统的钛合金相发生相互作用，从而使钛合金的组织更为多元化，性能调控也具备更大的空间。特别是非金属元素的引入，可以形成金属化合物，通过调控金属化合物的形貌、分布使钛合金的性能可控性增强，为制备性能更优异的钛合金提供了诸多可能性。但是，非金属元素的引入，如Si元素容易生成含Si的晶界弱化相，从材料微观结构与宏观性能的关系与控制机理来看，通常情况下晶界连续薄层脆性相对材料的性能起到弱化的作用。例如，过共析钢在冷却速度较慢的情况下，先转变为单相的奥氏体，在随后的冷却过程中析出的先共析渗碳体沿着奥氏体晶界呈连续的网状分布，这种组织结构的过共析钢脆性高、塑性差。如何实现晶粒细化、且打断晶界连续相，通常情况下无法通过热处理在以上两方面实现双赢。

发明内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种含Si高强低模β-型钛合金的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的含Si高强低模β-型钛合金。

本发明的再一目的在于提供上述含Si高强低模β-型钛合金在制备生物医用材料领域中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种含Si高强低模β-型钛合金的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)合金成分设计：以Ti 60～70at.％，Nb 10～20at.％，Zr5～15at.％，Ta 1～10at.％，Si 1～5at.％的元素比，以海绵钛、海绵锆、钽铌中间合金、硅为原材料配制合金组分；

(2)铸造：将步骤(1)配制的合金组分熔炼均匀，并得到凝固的铸锭；

(3)高温塑性变形：将步骤(2)所得铸锭进行高温塑性变形，变形温度800～900℃，变形量为60～80％，然后将高温塑性变形后的试样水淬至室温；