[发明专利]一种高强β钛合金的制备方法

说明书

本发明公开了一种高强β钛合金的制备方法，包括以下步骤：步骤（1）、将Ti‑15Mo合金粉与Nb粉末均匀混合，获得混合粉末；步骤（2）、将混合粉末装入塑胶包套后进行冷等静压处理，获得金属压坯；步骤（3）、将金属压坯进行高真空烧结处理，获得烧结态钛钼铌合金；步骤（4）、将烧结态钛钼铌合金进行预热处理，随后立即进行热轧处理获得热轧态钛钼铌合金。本发明通过β稳定元素Nb的添加来提高钛合金组织的稳定性，并控制钛合金中Nb与氧元素含量；结合烧结处理工艺、热轧处理工艺以及退火处理工艺，使钛合金生成大量的稳定β相，以及部分ω相，提高钛合金的强度和韧性；最终得到弹性模量低的高强β钛合金。

技术领域

本发明涉及一种高强β钛合金的制备方法。

背景技术

近年来，钛合金因具有强度高、耐蚀性好和生物相容性较好的特点，在航空航天领域以及生物医学植入体领域具有广泛应用。在多种类的钛合金中，α型钛合金和（α＋β）型钛合金密度小，强度较高，热稳定性好，因此在航空航天金属构件上具有普遍应用，以（α＋β）型钛合金Ti-6Al-4V为例，室温下该合金的屈服强度为850MPa左右，延伸率在7%～10%，弹性模量达110GPa，该合金被广泛应用于航空航天金属构件与生物领域。然而，α型钛合金和（α＋β）型钛合金在冷成型及冷加工方面表现较差。相较之下，热稳定的β钛合金具有更加优异的冷加工性能，而且经过时效处理的β钛合金生成硬脆的ω相，具有更高的强度，更低的弹性模量；

对于β钛合金，β稳定元素如Nb、Zr、Mo、Hf、Ta等元素的添加有利于提高合金强度和降低其弹性模量。不同种类的β稳定元素对钛合金的性能存在不同方面的影响，科研工作者采用多元化合金设计，结合优化的热处理工艺来提高钛合金的综合性能。上海交通大学贾庆卫等人通过铸造向钛基中加入合金元素Nb和Zr，改变Zr含量，使合金的弹性模量降低至59～68GPa之间，增加了其延伸率，但抗拉强度和屈服强度较低。日本开发的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr通过增加较多的β稳定元素的含量，在1073K温度下固溶以及后续时效处理，使合金中出现α相、ω相和β相，其疲劳极限约700MPa，杨氏模量远低于Ti-6Al-4V-ELI合金；

上述钛合金的设计与开发中，利用铸造技术获得合金，固溶+时效处理强化合金，得到的大部分合金屈服强度都在1GPa以下，甚至远低于1GPa，且在其余性能上如塑性、韧性和弹性模量的表现并不突出。关于利用调控烧结工艺、退火工艺、热处理温度来设计塑性较好、模量低的高强β钛合金研究较为缺乏；

此外，上述钛合金的设计与开发虽然各有优点，但仍存在较多问题亟需解决：

1.虽然特定β稳定元素增加能提高塑性，降低材料弹性模量，但是同时也会降低合金的抗拉强度和屈服强度；

2.较多β稳定元素的添加会导致合金组织不稳定，从而在加工过程影响其组织，改变强度和塑性等性能；

3.弹性模量过高会使医用钛合金产生应力屏蔽效应，部分含V元素的钛合金对人体表现出一定的毒性，可能引发其他的疾病。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强β钛合金的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强β钛合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1）、将Ti-15Mo合金粉与Nb粉末均匀混合，获得混合粉末；

步骤（2）、将混合粉末装入塑胶包套后进行冷等静压处理，获得金属压坯；

步骤（3）、将金属压坯进行高真空烧结处理，获得烧结态钛钼铌合金；

步骤（4）、将烧结态钛钼铌合金进行预热处理，随后立即进行热轧处理获得热轧态钛钼铌合金；

步骤（5）、将热轧态钛钼铌合金在惰性气体下进行退火处理，再进行水冷处理后，获得高强β钛合金。