[发明专利]一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，属于粉末冶金钛合金领域。本发明以纯钛粉末为原料，经高能球磨后，在室温下固溶空气中的氧和氮，然后经过室温压制，高温热挤压获得高性能的Ti‑O材料。本发明利用粉末在高能球磨过程中获得的能量，在室温下自发固溶空气中的氧和氮，实现了氧和氮在α‑Ti基体中的均匀分布，提高了氧和氮的强化效率，同时也提高了Ti‑O材料的力学性能。本发明工艺简单、经济节能、可操作性强，不仅为粉末冶金钛及钛合金固氧提供了新思路，而且有助于钛及钛合金的大范围推广。

技术领域

本发明属于粉末冶金法制备钛合金材料的技术领域，尤其涉及一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、良好的耐腐蚀性和耐高温性，同时具有优异的生物相容性，被广泛应用于航空、航天、医学、汽车、化工、能源等领域。然而，纯钛的机械性能不能满足机械结构部件的要求。另一方面，目前广泛使用的钛合金大多含有昂贵的β稳定剂，如Mo、V、Cr、Ni等，其较高的生产成本限制了钛合金的大范围推广使用。因此，开发一种用廉价元素代替稀有金属的钛合金是制备低成本钛合金的关键。

氧(O)、氮(N)、氢(H)和碳(C)等普遍存在的轻元素可以取代上述金属元素。氧以间隙原子的形式固溶在α-Ti的八面体间隙中，是一种有效的强化元素，但氧气在提高钛合金强度的同时牺牲了脆性，因此钛合金中氧含量受到限制。α-Ti、(α+β)-Ti和β-Ti的氧含量不能超过0.5wt.％,粉末冶金Ti-6Al-4V合金为0.33wt.％。这是由于氧元素会显著影响钛合金的显微组织和力学性能，一方面会促进α相从β相中析出、促进α₂沉淀析出、诱发马氏体和含氧簇；另一方面会抑制变形孪晶、通过细小的析出相阻碍变形。因此如何解决钛合金中氧含量存在一个较低的阈值成为需要攻克的难题之一。

有研究表明，当氧含量远远超过以前公认的阈值时，粉末冶金制造的钛合金保持了高强度和良好的延展性。这是因为粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分的偏析，消除粗大和不均匀的组织。钛合金中氧原子的不均匀分布会削弱其强化效率，不均匀分布的氧原子在富集区会因其脆化效应形成脆性岛，在变形过程中因应力集中而过早断裂。因此如何实现氧在钛基体中的均匀分散是制备高性能的钛合金的关键。

发明内容

本发明提出了一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，该方法通过粉末冶金的简易室温固溶制备了等效氧含量为0.26-2.08wt.％的Ti-O材料。首先，不以TiO2为原料引入氧降低了合金成本。同时，在室温下利用球磨过程中粉末获得的能量固溶环境中的氧、氮可以使固溶原子均匀分散，提高氧、氮的强化效率。最后，本发明还发现了在高能球磨过程中将球磨时间优化为60min，并在室温下利用该球磨过程中粉末获得的能量固溶环境中的氧、氮后得到的钛氧合金材料，其综合力学性能明显优于应用最广泛的Ti-6Al-4V合金；本发明工艺简单、无需额外设备即可解决氧原子均匀分散的问题，保证最终钛合金具有优良的力学性能，为粉末冶金钛及钛合金固氧提供了新思路，有利于推动粉末冶金钛合金工业化发展。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供了一种低成本高性能的钛氧合金材料的制备方法，包括：

将纯钛粉进行高能球磨，球磨时间为15-240min，球磨后得到不同能量的纯钛粉末；

将球磨后的所述纯钛粉末取出，在室温下于空气中放置一段时间，固溶环境中的氧和氮；

将固溶后的所述纯钛粉末进行压制获得压坯试样；

将所述压坯试样进行热挤压，最终获得高性能的钛氧合金材料。

作为本发明的进一步说明，所述球磨时间为60min。

作为本发明的进一步说明，将纯钛粉进行高能球磨时，采用直径10mm的氧化锆磨球，球料比为1:1，球磨转速为200rpm/min。