[发明专利]一种兼备强度和塑性的氧固溶钛烧结材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种兼备强度和塑性的氧固溶钛烧结材料及其制备方法，其制备方法包括：将TiO₂和Ti粉采用球磨进行混合得到混合物，然后采用放电等离子烧结，得到氧固溶钛烧结材料。采用本发明的技术方案，得到了高强度‑高延展性同时兼备的固溶强化型钛合金，制备方法成本低廉，工艺相对简单，为高强度和高延展性钛合金的设计和发展，提供新的策略和新的思路。

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种兼备强度和塑性的氧固溶钛烧结材料及其制备方法。

背景技术

钛合金具有高比强度、高杨氏模量和卓越的耐腐蚀性能，广泛被应用于太空、化工、医疗和军事等领域。同时，由于钛对人体组织具有出色的相容性和无毒性，因此钛也很有吸引力，可用于牙种植和骨替代材料。今天，市场上有大量的钛合金，从低强度和高耐腐蚀性的纯Ti到高机械性能合金。这些产品的选择取决于其应用的目的。例如，汽车和航空航天结构中的应用需要轻质、高强度和韧性，并且当用于涡轮发动机时有时还需要高耐热性。另一方面，安全性和无毒性应该是医疗领域中Ti应用的首要选择。众所周知，商业纯Ti(CP-Ti)和Ti-6Al-4V合金已广泛用作植入材料。然而，据报道，在钛基生物材料中，合金元素对活细胞的毒性从高到最低可列为Cu，Al＝Ni，Ag，V，Mn，Cr，Zr，Nb，Mo，Ta，Sn和CP-Ti。在这方面，关于合金中使用的合金元素的潜在危害，已经出现了关于能否将钛合金用于医疗植入物的争论。因此，纯钛被认为是用于医疗用途的一个很好的选择。然而，大多数钛合金由昂贵的化学物质组成，如Ta和Nb，增加Ti本就已经很高的成本。因此，在高性能Ti中使用廉价且无毒的元素对于材料科学家来说是合理且有吸引力的选择。

在常规材料中，高强度和高延展性这两种性能往往相互抵触，不可兼得。当采用某种手段使其提高强度时，其延展性必然有某种程度的下降。如何解决金属材料中的强度-延展性的矛盾，是金属材料研究的重要课题。因此，实现金属材料的高强度和高延展性是一项长期以来亟待解决的重大科学难题。目前，高强度和高延展性同时兼备的钛合金的相关研究相当稀少。

为了实现合金的高强度而且同时保持合理的延展性，在多组分合金和多相合金以及复合材料设计中已经进行过大量的尝试，然而在获取延展性的同时多少都牺牲了部分的强度，并且额外的成分或相增加了加工过程中的变量以及成本，使得材料由于组织成分不均匀而引入应力集中和裂纹萌生。此外，不同相的沉淀和分散需要精细控制相分解顺序(如为避免在析出硬化中过度老化)。进行结构设计得到的精细结构，制备上需要大量时间，而且产量低，难以用于商业化规模的生产。所以还需要更低成本的方法来制备高强度-高延展性的钛合金。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种兼备强度和塑性的氧固溶钛烧结材料及其制备方法，得到的材料兼备高强度和高延展性。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种兼备强度和塑性的氧固溶钛烧结材料的制备方法，其包括以下步骤：将TiO₂和Ti粉采用球磨进行混合得到混合物，然后采用放电等离子烧结，得到氧固溶钛烧结材料。

现有的文献研究表明：Ti中只能加入少量的氧，钛合金的塑形就会显著下降，为保持10％的室温拉伸延伸率，包括α、α+β和β相的Ti在内的所有类型的钛合金的氧含量不能超过0.5wt.％；至于利用烧结或增材制造工艺获得的钛合金，其允许氧限甚至小于0.3wt.％。传统的间隙固溶强化可以提高强度，但是牺牲合金的延展性，这主要是因为间隙原子在合金中倾向于偏聚晶界、位错、裂纹尖端及其他内部应力源处，并导致该区域基体的显著畸变及应力集中，促使局部原子键合的破坏和高度集中的局部塑性变形，从而导致脆断。然而，本技术方案克服了本领域的技术偏见，通过将TiO₂和Ti粉进行球磨混粉后，采用放电等离子烧结后得到氧固溶钛烧结材料既达到高强度的性能，同时延展性也得到了提高。

作为本发明的进一步改进，烧结温度为900℃～1050℃。