一種微米級Ti-Nb-Ta-Zr合金絲的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高性能粉末冶金鈦合金絲材的制備方法，特別涉及一種微米級T1-Nb-Ta-Zr合金絲的制備;屬于粉末冶金材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、耐熱性高、無磁、焊接性能好以及良好的生物相容性等優(yōu)良性能，在航空航天、軍工、化工和生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。由于鈦合金具有較低的彈性模量、良好的耐腐蝕性和優(yōu)異的生物相容性，因此，鈦及鈦合金的肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、心瓣膜、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件都已制備成植入體，并在醫(yī)療植入中發(fā)揮巨大了作用，取得了良好的效果?，F(xiàn)有技術(shù)中報道的T1-Nb-Ta-Zr合金成分源于日本豐田中央研究所Sat1研究組研制出的一類新型鈦合金，因其獨特的彈塑性行為而被命名為Gum metal (T1-23Nb-0.7Ta_2Zr_l.20)。這類合金具有很多特異性能，如室溫超塑性，低加工硬化率，經(jīng)歷90%的冷旋鍛后具有高強度，非線彈性，超彈性能等。
[0003]目前，鈦合金棒材及絲材的制備，國內(nèi)主要采用的是鑄錠冶金工藝，制備流程包括多次真空自耗熔煉、開坯鍛造、乳制、拉拔等多道工藝，該工藝的流程長，熔煉及高溫鍛造的能量消耗大，設(shè)備投入驚人，這使得鈦合金棒材及絲材的生產(chǎn)成本較高。此外，由于絲材尺寸較小，加工工藝比較復(fù)雜，對合金內(nèi)部冶金缺陷(偏析、夾雜)的敏感性增加，而熔煉技術(shù)會造成一定程度的合金組織偏析，不能確保絲材優(yōu)良的性能。粉末冶金工藝由于具有原材料成本低、工藝流程短、能量消耗小、設(shè)備投入小、生產(chǎn)合金組織細小均勻等優(yōu)點，具有顯著降低材料成本的作用。
[0004]常規(guī)的粉末冶金工藝中，成形工藝通常采用模壓法，鈦合金加工硬化的特性，使得模壓成形制得的生坯存在孔隙度高的缺陷，從而導(dǎo)致了成品的力學(xué)性能偏低，并且模壓法無法制備高徑比較大的棒材。肖代紅等人還提出一種通過模壓和真空熱壓燒結(jié)制備鈦合金的方法，該方法能制備致密度99%以上的鈦合金，但產(chǎn)品尺寸受模壓法限制，達不到緊固件用鈦合金棒材尺寸及高徑比的要求。常規(guī)制備大高徑比的鈦合金棒材，采用熱鍛或者熱乳的方法，劉彬等人采用冷等靜壓制熱鍛的方法制備得到大高徑比的T1-6A1-4V合金棒材，但其能量消耗大，成本較高。常規(guī)的鈦合金拉絲工藝中，對冷加工性能差的鈦合金，通常采用常用熱拉伸進行加工，拉伸溫度對絲材的組織、性能及表面質(zhì)量均有重要影響。陳賢忠等采用熱拉絲的工藝制備T1-6A1-4V合金絲材，即在T1-6A1-4V合金再結(jié)晶溫度下，邊加熱邊拉拔。這種方法制得的合金絲材硬度和抗拉強度不受拉拔工藝的影響，難以制備硬度和抗拉強度有特殊要求的鈦合金絲。樊亞軍等人采用控溫?zé)崂?，即逐次降低每道次拉拔溫度，以獲得高強度高硬度的T1-6A1-4V合金絲，然而這種工藝中增加道次量對合金強度的增強并不明顯。目前，對于采用粉末冶金工藝、冷旋鍛、冷拉絲的方法制備醫(yī)用低成本高性能的鈦合金棒材的研究很少報道;特別是對于該合金絲材的制備還未報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是在于提供一種通過粉末冶金工藝制備具有較高強度及良好彈性的高性能鈦合金絲材的方法，該方法成本低、投入小、成品率高，滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。
[0006]本發(fā)明提供了一種微米級T1-Nb-Ta-Zr合金絲的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0007](I )T1、Nb、Ta及Zr粉末均勻混合后，進行冷等靜壓處理，得到生棒坯；
[0008](2)所得生棒坯通過真空燒結(jié)，得到燒結(jié)棒坯；
[0009](3)所述燒結(jié)棒坯依次進行熱鍛處理、退火處理和水淬處理，得到合金棒材；
[0010](4)所得合金棒材先通過冷旋鍛處理，制成合金細棒材，再將所述合金細棒材進行冷拉絲，即得微米級T1-Nb-Ta-Zr合金絲。
[0011]優(yōu)選的方案，冷等靜壓處理控制壓強為150MPa?300MPa，保壓時間為Imin?1min0
[0012]較優(yōu)選的方案，冷等靜壓處理通過冷等靜壓壓套實現(xiàn)。
[0013]較優(yōu)選的方案，冷等靜壓壓套包括套筒及套筒兩端的用于套筒密封的柔性橡膠塞;所述套筒高徑比為1/2?1/20。
[0014]優(yōu)選的方案，真空燒結(jié)控制燒結(jié)溫度為12000C?1400 V，保溫時間為4h?16h。
[0015]優(yōu)選的方案，熱鍛處理的操作溫度區(qū)間為850°C?1150 °C，道次變形量為10 %?30 %，道次間回火溫度為800 °C?1150 °C，總變形量為300 %?800 %。
[0016]優(yōu)選的方案，退火處理溫度區(qū)間為900 °C?1050 °C，保溫時間為0.5h?1.5h。
[0017]優(yōu)選的方案，冷旋鍛處理以合金棒材的直徑為3?5mm為標準，控制溫度為室溫，道次變形量為10 %?20 %，總面縮率為80 %?96 %。
[0018]優(yōu)選的方案，冷拉絲處理以合金絲的直徑為0.1?0.5mm為標準；控制每三道次退火一次，退火溫度為6500C?7500C，道次變形量為10 %?20 %，總變形量為85 %?99 %。
[0019]優(yōu)選的方案，T1、Nb、Ta及Zr粉末通過蝶形混料機混合，混合過程中采用惰性氣體保護。
[0020]優(yōu)選的方案，T1、Nb、Ta及Zr粉末各自獨立控制粒度在-100目?-400目范圍內(nèi)。
[0021 ]較優(yōu)選的方案，T1、Nb、Ta及Zr粉末通過蝶形混料機混合的時間為4?8h，使其充分混合均勻。
[0022]優(yōu)選的方案，T1、Nb、Ta及Zr粉末的質(zhì)量百分比為55?60:25?45:1.5?10:2?15。
[0023]優(yōu)選的方案，T1、Nb、Ta及Zr粉末混合物中氧含量控制在2500ppm以內(nèi)。
[0024]優(yōu)選的方案，冷等靜壓壓套包括套筒及橡膠塞;所述的套筒由橡膠材料構(gòu)成;套筒兩端各由一個橡膠塞塞入套筒密封，套筒兩端各設(shè)有鐵箍將橡膠塞進一步固定;套筒的高徑比控制為2:1?20:1。對粉末進行冷等靜壓處理處理時，將粉末置于套筒內(nèi)部，用橡膠塞密封兩端，再加壓處理。
[0025]與現(xiàn)有的鈦合金絲材的制備工藝相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)勢:
[0026](I)本發(fā)明的工藝采用現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)備即可實現(xiàn)生產(chǎn)，可有效降低生產(chǎn)成本和設(shè)備投入；
[0027](2)本發(fā)明中采用冷旋段代替熱鍛方法得到大高徑比的粉末冶金鈦合金棒材，生產(chǎn)周期縮短，且能耗大大降低；
[0028](3)本發(fā)明中的T1-Nb-Ta-Zr合金經(jīng)冷旋鍛后，加工硬化率很低，故采用冷拉絲工藝代替熱拉絲進行加工，大大降低了生產(chǎn)成本；
[0029](5)本發(fā)明中首次運用冷拉絲工藝制備β型鈦合金絲，拓寬了β型鈦合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用；
[0030](4)本發(fā)明的工藝采用冷等靜壓、真空燒結(jié)，再結(jié)合熱鍛、冷旋鍛和冷拉絲的加工方法，制備的鈦合金絲材組織密度及成分均勻性相比常規(guī)粉末冶金方法制備的鈦合金大大提高;所制備的絲材與傳統(tǒng)熔鑄方法得到的絲材相比，組織更加細小，不存在成分偏析;能夠滿足生物醫(yī)用鈦合金絲材的尺寸和性能要求。
【附圖說明】
[0031]【圖1】是本發(fā)明的工藝流程圖。
[0032]【圖2】是本發(fā)明壓套裝粉并密封后的結(jié)構(gòu)示意圖:I為粉末，2為壓套，3為橡皮塞，4為鐵箍。
[0033]【圖3】是本發(fā)明實施例1制備的Φ0.3mmT1-Nb-Ta-Zr合金絲的照片。
[0034]【圖4】是本發(fā)明實施例1制備的Φ0.3mmT1-Nb-Ta-Zr合金絲室溫拉伸曲線。
[0035]【圖5】是本發(fā)明實施例1制備的00.3mmT1-Nb-Ta-Zr合金絲金相組織圖。
【具體實施方式】
[0036]為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實施例對本發(fā)明作更全面、細致地描述，但本發(fā)明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。
[0037]除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護范圍。除非另有特別說明，本發(fā)明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設(shè)備等均可通過市場購買得到或者可通過現(xiàn)有方法制備得到。
[0038]實施例1
[0039]制備流程如圖1所示，包括以下具體步驟:
[0040](I)以粒度均為為-325目的T1、Nb、Ta、Zr元素粉(氧含量為0.25 % )為原料，除少量不可避免的雜質(zhì)氧元素，原料中不含其他元素成分;將T1、Nb、Ta、Zr元素粉質(zhì)量比控制在59:36:2:3,將稱取的原料粉末采用蝶型混料機混合均勻，混合時間為5h，混合過程采用惰性氣體氬氣進行保護；
[0041 ] (2)將步驟(I)充分混合后的粉末裝入壓套，該壓套為一Φ45 X 300mm的橡膠圓套筒，粉末裝入壓套后用橡膠塞密封兩端，然后開始進行冷等靜壓處理，冷等靜壓處理時的壓強控制為190MPa，保壓時間控制為2min，制得生棒坯；
[0042](3)將步驟(2)制得的生棒坯放入真空燒結(jié)爐中進行真空燒結(jié)，真空燒結(jié)時的真空度為10—4Pa，燒結(jié)溫度為13000C，燒結(jié)保溫時間為16h，加熱至燒結(jié)溫度的升溫速率控制為5°C/min，隨爐冷卻；
[0043](4)將步驟(3)制得的燒結(jié)棒坯進行高溫?zé)徨懱幚?，熱鍛的溫度控制?150°C，道次變形量為20%，道次間回火溫度為1100°C，熱鍛的總變形量控制為800%，得到粉末冶金鈦合金棒材，該棒材尺寸為φ 1.5 X 160cm。隨即對得到的合金棒材進行熱處理，溫度為950°C，保溫時間為:0.5h。
[0044](5)將步驟(4)制得的合金棒材進行冷旋鍛處理，道次面縮率為18%，冷旋鍛的總面縮率控制為96%，得到棒材尺寸為Φ 3mm。
[0045](6)將步驟(5)制得的合金棒材進行冷拉絲處理，道次面縮率為15%，三道次間退火溫度為680°C，保溫時間為:15min。冷拉絲的總面縮率控制為99%，制得如圖3的合金絲材，尺寸為Φ0.3_。
[0046]通過排水法對本實施例產(chǎn)品進行測試，測得粉末冶金鈦合金棒材的合金致密度為99.4%,抗拉強度為1020MPa，彈性模量約為60GPa。(測試結(jié)果如圖4所示)。
[0047]本實施例制備的粉末冶金鈦合金棒材的組織照片如圖5所示，由圖5可見，本發(fā)明制備的粉末冶金鈦合金棒材產(chǎn)品的致密性良好，金相組織較為細小均勻，不存在成分偏析。
[0048]實施例2
[0049]制備流程如圖1所示，包括以下具體步驟:
[0050](I)以粒度均為為-325目的T1、Nb、Ta、Zr元素粉(氧含量為0.25 % )為原料，除少量不可避免的雜質(zhì)氧元素，原料中不含其他元素成分;將T1、Nb、Ta、Zr元素粉質(zhì)量比控制在58:30:5:7,將稱取的原料粉末采用蝶型混料機混合均勻，混合時間為5h，混合過程采用惰性氣體氬氣進行保護；
[0051 ] (2)將步驟(I)充分混合后的粉末裝入壓套，該壓套為一Φ35 X 300mm的橡膠圓套筒，粉末裝入壓套后用橡膠塞密封兩端，然后開始進行冷等靜壓處理，冷等靜壓處理時的壓強控制為200MPa，保壓時間控制為2min，制得生棒坯；