[发明专利]一种高强度高弹性钛合金及制备方法

说明书

本发明涉及一种高强度高弹性钛合金及制备方法，所述合金的组份及重量百分比为：Nb：31wt％～33wt％；Zr：4wt％～8wt％；Sn：2wt％～4wt％；O：0.30wt％～0.55wt％，其中不含0.3wt％端点值；余量为Ti；合金制备的具体步骤是：采用真空非自耗电弧炉熔炼获得成分均匀合金铸锭，经热锻成棒材后在850℃‑950℃固溶处理，水冷至室温；随后冷轧变形加工，变形量为80％‑90％；最后进行时效热处理，其加热温度为400℃‑500℃，保温时间为1h‑24h。本发明钛合金具有高强度和较低弹性模量，弹性变形能力优于现有各种高弹性的β钛合金，十分适合制作航空航天和机械等领域的超轻小体积的弹性部件，亦可应用于制备生物医用植入物。

技术领域

本发明涉及一种高强度高弹性钛合金及制备方法，属于钛合金材料设计及制备技术领域。

背景技术

由于钛合金的强度高，弹性模量和密度仅分别为钢的50％和60％，弹性变形能力约是钢的2倍，十分适合用作轻质高性能弹性材料。β钛合金的成形性好、可时效强化，成为高强钛合金弹性材料的理想选择。20世纪80年代以来，麦道、洛克希德、波音、空客等飞机制造公司已逐步将β钛合金弹簧用于飞机起落架上下锁、门平衡、液压回程和飞行控制等。其代表性弹簧用钛合金有Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn(Ti-15-3)和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C)，弹性模量约为104GPa，强度水平为1300～1450MPa。与钢制弹簧相比，由于钛合金弹簧弹性变形能力大，只需一半圈数，减重可达70％，体积减小可达50％。Timetal LCB(Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al)是一种专为汽车弹簧设计的低成本钛合金，弹性模量为114GPa，强度为1480MPa，2001年首先用于大众汽车(Volkswagen Lupo FSI)，2003年起用于法拉利汽车(Ferrari Challenge Stradale)和福特汽车(Ford Focus FCV)，较原先钢弹簧减重39-52％。此外，雅马哈摩托(Yamaha YZ250MX bike)采用这种钛合金悬簧，可减重30％。

弹性材料的主要特征参数有抗拉强度σ_b和弹性应变极限，其中弹性应变极限可近似用屈服强度σ_0.2与弹性模量E的比值(σ_0.2/E)来表示。σ_b越大，意味着能在更高的应力下工作；σ_0.2/E越大，弹性变形能力越强，也即在同一应力水平下弹性元件可以做得更小更轻。目前，上述弹簧用β钛合金的强度已接近极限，σ_0.2/E值不高于1.3％。可见，要进一步减小钛合金弹性元件的质量和体积，必须在保持高强度的条件下有效降低其弹性模量。

低弹性模量近β钛合金是上世纪90年代以来针对人体硬组织(关节和牙齿等，弹性模量3～35GPa)替换而研发的，通过添加Nb、Ta、Zr、Mo、Sn等无毒元素获得与人体硬组织相近的低弹性模量(50～80GPa)和较高强度，以保证钛合金植入体(人工关节和种植牙等)具备优良的生物和力学相容性。