專利名稱：：一種可精確控制氧含量、熔煉法制造合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種使用合金中元素的氧化物精確控制合金所必須的氧含量、烙煉法制造合金的方法，特別提供了一種使用氧熔齒氐成本帝隨多功能鈦合金的方法。
背景技術(shù)：
：氧一般被認(rèn)為是合金中的雜質(zhì)元素而被嚴(yán)^l空制其含量，然而在一些合金中卻將其視為必不可少的元素，例如多功能鈦合金"GumMetal"。多功能鈦合金是曰本科學(xué)家TakashiSaito等人在最近幾年研制成功的一種新型鈦合金，該合金具有眾多的超性能，例如(1)室鵬塑性；(2)低彈性模量(E最低可達(dá)40GPa);(3)高強(qiáng)度(室溫?cái)嗔褟?qiáng)度(Tb約1200MPa);(4)超彈性(室溫時(shí)約2.5%，一196時(shí)超過(guò)4%);(5)因瓦合金(invar，也稱為殷鋼)和恒彈性合金(Elinvar，艾林瓦合金)的性能等。如此多的超性能使得該合金具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，如Ait骨、醫(yī)療器械、醫(yī)學(xué)整形，體育用品、汽車配件、制造超輕彈簧，以及在惡劣環(huán)境中工作的航空和太空精密器件等。該合金目前在曰本已經(jīng)投入市場(chǎng)。事實(shí)上，它代表的是一類合金。要獲得該類合金，必須同時(shí)具備以下條件。(1)成分的平均價(jià)電子數(shù)(e/a)約為4,24;(2)約2.87的Bo值(基于DV-Xa束法)；(3)約2,45eV的Md值；(4)有鋯元素和氧元素存在，且氧含量控制在0.73.0mol.%;(5)—定程度的后續(xù)冷變形。這類合金的成分以Ti-24(Nb+Ta+V)-(Zr,Hf)"O(mol.%)為基礎(chǔ)，典型的成分有Ti-9Nb-12Ta-3V-6Zr-1.20、Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr陽(yáng)1.20和Ti-20Nb-3.5Ta-3.4Zr-1.20(mol.%)等。由于其中含有大量的高熔點(diǎn)元素Nb、Ta(Nb熔點(diǎn)約2470°C，Ta熔點(diǎn)約3ooo°c)，以及為了精確控制合金元素含量，目前該類合金一直使用粉末冶金的方法制造，工藝如下(1)將Ti、Nb、Ta、V、Zr的純金屬粉混合后高能球磨0.52h;(2)均勻混合的金屬粉在392MPa下冷等靜壓；(3)將生料在10'3Pa的真空下130(TC燒結(jié)4h，爐冷至室溫；(4)坯料在115(TC熱鍛；(5)鍛棒在800。C軋棒；(6)在氬氣中l(wèi)OO(TC固溶lh后鹽水淬；(7)—定變形量的冷軋。合金中的氧含量通過(guò)含氧量為4moiy。的鈦粉控制。粉末冶金法制造該合金具有以下缺點(diǎn)(l)生產(chǎn)原料金屬粉的成賴高；(2)工藝、設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)?？淌希圃斐杀据^高。這些缺點(diǎn)在一定程度上限制了該合金的使用，因此設(shè)計(jì)一種低成本制造該合金的方法是非常必要和具有實(shí)際意義的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種使用氧化物精確控制氧含量、熔煉法制造合金的方法，特別提供了一種使用氧熔齒氐成本制造多功能鈦合金的方法，解決粉末冶金法制造多功能鈦合金時(shí)存在的生產(chǎn)原料金屬粉的成本較高，以及工藝、設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)低，制造成ffi高等問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種使用氧化物精確控帝瞎含量、熔煉法制造合金的方法，具體步驟如下(1)使用合金中元素的氧化物控制合金所必須的氧含量；(2)使用熔煉法制造合金。在制造多功能鈦合金中，使用氧化物、海綿鈦、海綿鋯敏和鉿、鈮屑*和釩屑^/和鉭粉為原料，使用傳統(tǒng)的熔煉法制造該合金。使用的氧化物可以為Ti02、Ta205、Nb205、V20s之一種或兩種或三種或四種，配料時(shí)采用戶滿氧化物控制合金氧含量，采用非自耗爐真空熔煉或自耗爐真空烙煉。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下1、本發(fā)明提供一種使用氧化物控制氧含量、熔煉法制造合金的方法，通過(guò)使用價(jià)格低廉的氧化物精確地控制合金所必須的氧含量，用熔煉法制造合金。2、本發(fā)明提供一種使用氧化物、海綿鈦、海綿鋯^/和鉿、鈮屑敏和釩屑^/和鉭粉為原料，使用傳統(tǒng)的熔煉法制造多功能鈦合金的工藝。從而，可精確方便地控制氧含量、縮短生產(chǎn)周期、降低原材料和制造成本。3、本發(fā)明采用合金中元素的氧化物作為原料控制合金所必須的氧含量，尤其可以使用高熔點(diǎn)金屬的氧化物；由于氧化物熔點(diǎn)相對(duì)于合金元素較低，可以部分或全部代替高熔點(diǎn)金屬的加入量。由于多功能鈦合金中存在高熔點(diǎn)的合金元素Nb、Ta，不容易熔煉，傳統(tǒng)上采用粉末冶金方法制備多功能鈦合金。區(qū)別于傳統(tǒng)采用粉末冶金方法制備多功能鈦合金，采用本發(fā)明方法，進(jìn)一M過(guò)熔煉法制備出符合要求的多功能鈦合金。圖1(a)-(d)為Ti-O、Ta-O和Nb-O的二元相圖。其中，圖1(a)為Ti-O;圖1(b)為Ta-O;圖1(c)為Nb-O;圖1(d)為V-O。圖2氧熔法帝隨的多功能鈦合金的XRD譜。圖3氧烙法制造的多功能鈦合金中的元素面分布。其中，(a)為二次電子像;(b)為Ti元素的面分布圖；(c)為Nb元素的面分布圖；(d)為Ta元素的面分布圖；(e)為Zr元素的面分布圖；(f)為O元素的面分布圖。圖4i辦冷壓前后的形貌，高度變形45腿—10.5mrn。其中，(a)為冷壓前;(b)為冷壓后。圖5氧熔法制造的多功能鈦合金冷變形前后的顯微組織。其中，(a)1010°C/0.5h,WQ;(b)冷壓后垂直于壓力的平面；(c)冷壓后平行于壓力的平面。圖6氧熔法制造的多功能鈦合金冷壓后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖7氧熔法制造的多功能鈦合金7令壓后的熱膨脹曲線。具體實(shí)式本發(fā)明提供一種使用氧化物控制氧含量、烙煉法制造合金的方法，特別提供了一種使用氧化物、海綿鈦、海綿鋯敏和鉿、鈮屑^/和釩屑衝和鉭粉為原料，使用傳統(tǒng)的熔煉法制造多功能鈦合金的工藝。其特點(diǎn)在于使用價(jià)格低廉的氧化物控制合金所必須的氧含量，用傳統(tǒng)的熔煉法制造多功能鈦合金。圖1(a)-圖1(d)為Ti-O、Ta-O、Nb-0和V-O的二元相圖，可以看到，與Nb、Ta相比，氧化物1102、Ta205、她205和V20s的熔點(diǎn)均較低(1102熔點(diǎn)約1870°C，丁&205熔點(diǎn)約1880°C，他205在1510。C左右出現(xiàn)液相，V20s熔點(diǎn)約680°C)。當(dāng)Nb、Ta熔化時(shí)，所有原料均為液相，此時(shí)氧元素將不再以氧化物形式存在，而是以間隙原子的形式固溶到合金中?？梢?jiàn)，使用氧熔法制造多功能合金在理論上是切實(shí)可行的。顯然，本發(fā)明同樣適用于其它類型的合金中的氧含量控制，基本原則^擇合金中元素的較低熔點(diǎn)的氧化物為原料。下面將通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明。實(shí)施例Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O(mol%)是一個(gè)典型的多功能鈦合金，與上述的其它多功能鈦合金相比，由于其原料價(jià)格最低、合金的密度較小，并且不含V等生物毒性元素，成為目前研究最多和最有應(yīng)用前景的多功能鈦合金，因此在這里僅選擇該合金作為實(shí)例。M法制造該合金的工藝過(guò)禾呈如下(1)原料選用海綿鈦、海綿鋯、Nb屑、Ta粉和Ti02粉，按照Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-l.2O(moP/。)的成分要求計(jì)算配制，使用了757.9g海綿鈦、39.0g海綿鋯、465.4gNb屑、273gTa粉和10.4g7102粉；然后，采用非自耗爐三次真空熔煉；(2)1200。C開還；(3)75(TC熱鍛；(4)1010。C固溶0.5h后冷水淬；(5)—定變形量的冷變形(采用單向冷壓)。化學(xué)分析成分為n-22.4Nb-0.73Ta-2.0Zr-1.340(mol%)，合金電子參數(shù)為e/a4.231，Bo2.867，Md2.452。可見(jiàn)，該方法制造的合金成分和電子參數(shù)與已有的多功能鈦合金極為接近。XRD分析表明無(wú)未熔的Nb和Ta，也不存在1102(見(jiàn)圖2)，元素面分布圖表明合金成分均勻，無(wú)元素偏聚，見(jiàn)圖3(a)-(f)。圖4(a)-(b)為冷壓前后的試樣形貌，圖5(a)-(c)為冷壓前后的顯微組織。冷壓實(shí)驗(yàn)表明，,去制造的合金同樣具有室鵬塑性，該合金在0.1mm/s的壓縮速度下高度收縮率達(dá)77%，并且還可以進(jìn)一步壓縮，冷壓前后的硬度觀賦表明合金無(wú)明顯加工硬化(見(jiàn)表l)。表2為氧熔法制造的多功育轉(zhuǎn)太合金冷變形后的拉伸性能；冷壓后合金的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(圖6)表明該合金在室溫下同樣具有非線彈性和超彈性(2.3%)，以及低彈性模量(45GPa);圖7為冷壓后的熱膨脹曲線，在室溫30(TC的范圍內(nèi)具有接近于零的膨脹系數(shù)，在約350。C后膨脹系數(shù)急劇增加。辦法制造的多功能鈦合金的各項(xiàng)性能與粉末冶金法制造的幾乎相同，某些性能甚至優(yōu)于粉末冶金法制造的合金。表1氧熔法制造的多功能鈦合金冷變形前后的HV值<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2氧熔法制造的多功能鈦合金冷變形后的拉伸性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1、一種可精確控制氧含量、熔煉法制造合金的方法，其特征在于(1)使用合金中元素的氧化物控制合金所必須的氧含量；(2)使用熔煉法制造合金。2、按照權(quán)利要求1所述的可精確控制氧含量、熔煉法制造合金的方法，其特征在于采用合金中元素的氧化物、海綿鈦、海綿鋯庫(kù)和鉿、鈮屑衝和釩屑敏和鉭粉為原料，使用熔煉法制造多功能鈦合金。3、按照權(quán)利要求1所述的可精確控制氧含量、熔煉法制造合金的方法，其特征在于采用非自耗爐真空熔煉或自耗爐真空熔煉。全文摘要本發(fā)明涉及一種使用氧化物精確控制氧含量、熔煉法制造合金的方法(以下簡(jiǎn)稱“氧熔法”)，特別提供了一種使用氧熔法低成本制造多功能鈦合金的方法，解決了粉末冶金法制造多功能鈦合金時(shí)存在的生產(chǎn)原料金屬粉的成本較高，以及工藝、設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)率較低，制造成本較高等問(wèn)題。該方法具體步驟如下(1)使用合金中元素的較低熔點(diǎn)的氧化物控制合金所必須的氧含量；(2)使用熔煉法制造合金。本發(fā)明可以精確方便地控制合金的氧含量，并且對(duì)于多功能鈦合金，可以縮短生產(chǎn)周期、降低原材料和制造成本。文檔編號(hào)C22C14/00GK101358302SQ200710012339公開日2009年2月4日申請(qǐng)日期2007年8月1日優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日發(fā)明者李閣平,義楊,柯楊申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所