CN101760669A

CN101760669A - 一种低弹性模量的铸造钛合金

Info

Publication number: CN101760669A
Application number: CN 200910248863
Authority: CN
Inventors: 谢华生; 苏贵桥; 刘时兵; 刘宏宇; 史昆
Original assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Current assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2010-06-30

Abstract

一种低弹性模量的铸造钛合金，该钛合金名义组是Ti19Nb11Ta11Zr，化学组成以质量百分比计为Nb 18.0～20.0％、Ta 10.0～12.0％，Zr 9.5～12.5％，杂质元素含量应控制在C≤0.10％、Si≤0.15％、Fe≤0.3％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量为钛。本发明使钛合金的弹性模量由110GPa显著降低到62GPa，更接近于人体及动物体骨骼的弹性模量(10～30GPa)，减轻了钛合金植入物“应力屏蔽”的影响。除弹性模量低外，该材料还具有强度高的特点，可推广应用于医疗植入，航空、航天、舰船等特殊结构的应用，具有广阔的应用前景。该材料可以采用钛合金常用的铸造或锻造等方法进行成形。

Description

一种低弹性模量的铸造钛合金

技术背景

本发明涉及一种合金，具体是涉及一种低弹性模量的铸造钛合金。

背景技术

钛合金是一种密度小、强度高、耐腐蚀、无磁性的重要结构材料，广泛应用于航空、航天、武器装备、海洋运输、生物医疗、体育等各个领域。近年，随着科学技术快速发展，对特种性能钛合金材料的需求日趋增加。低弹性模量的钛合金在各类装备制造领域也得到大量需求。与常用钢材料的弹性模量200GPa相比，钛合金的弹性模量仅有110GPa，属于弹性模量较低的材料。但对于一些特殊应用领域(如医用植入材料)，要求弹性模量接近或低于30GPa，常规钛合金的弹性模量仍然偏大，无法应用。但一些特殊领域，只有比强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁的钛合金才能满足要求，因此急需具有低弹性模量的钛合金材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种低弹性模量的钛合金材料，该合金材料在保证钛合金高强度的特点下，显著降低了其弹性模量。

采用的技术方案是：

一种低弹性模量的铸造钛合金材料，该合金材料的名义组成是Ti19Nb11Ta11Zr，化学组成(质量百分比)为Nb：18.0～20.0％，Ta：10.0～12.0％，Zr：9.5～12.5％，杂质元素含量应控制在C≤0.10％、Si≤0.15％、Fe≤0.3％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量为Ti。

该合金的制备工艺步骤为：

1、按合金质量百分比取18.0～20.0％的Nb、10.0～12.0％的Ta和9.5～12.5％的Zr的海绵钛、海绵铌、海绵钽、海绵锆四种纯金属材料。

2、将上述四种海绵状纯金属材料均匀的放置于圆筒形金属模具(内径应为熔炼设备电极最大直径的0.7～1.0倍)中，采用液压机(如YC32-100)进行压合，使之成为圆棒状(长度根据所采用的熔炼设备而定，一般应为电极最大行程0.5～1.0倍)，再在已压制的圆棒一端采用手工钨极氩弧焊机(如NSA4-300)焊上真空自耗凝壳炉(ZN-80)熔炼所需的电极头，制成自耗电极备用。

3、将已制备的自耗电极(已压制的合金棒)安装于真空自耗凝壳炉的电极位置上，再采用真空自耗凝壳炉完成合金的熔炼，最后采用钛合金铸造用精密铸型或机加工石墨型进行浇铸，即可获得需配制成分范围内的铸造钛合金。

该合金的热处理方案为：将上述成分的铸造钛合金进行固溶热处理，固溶热处理温度为700-800℃，保温0.5-1.5小时，水冷，再经时效热处理，时效热处理温度为480-580℃，保温6-10小时，空冷。

Ti19Nb11Ta11Zr经固溶热处理后常温下的弹性模量为55～66GPa，抗拉强度可达680～750MPa，屈服强度达550～650MPa，伸长率18～25％，断面收缩率40～55％；经时效热处理(480～580℃保温6～10小时空冷)后可达65～75GPa，室温下抗拉强度720～850MPa，屈服强度670～820MPa，伸长率10～12％，断面收缩率25～30％。

该材料的开发使钛合金的弹性模量由110GPa显著降低到62GPa，更接近于人体及动物体骨骼的弹性模量(10～30GPa)，减轻了钛合金植入物“应力屏蔽”的影响。除弹性模量低外，该材料还具有强度高的特点，可推广应用于医疗植入，航空、航天、舰船等特殊结构的应用，具有广阔的应用前景。该材料可以采用钛合金常用的铸造或锻造等方法进行成形。

具体实施方式

实施例一：

铸造合金的化学组成(质量百分比)为Nb：18.0％，Ta：10.0％，Zr：9.5％，杂质元素含量为C：0.02％、Si：0.05％、Fe：0.08％、N：0.01％、H：0.005％、O：0.05％，余量为Ti。

将上述成分的铸造钛合金按下述工艺进行热处理：固溶热处理温度720℃，保温0.5小时，水冷，再经时效热处理，时效热处理温度为480℃，保温6小时，空冷。

Ti19Nb11Ta11Zr经固溶热处理后常温下的弹性模量为57GPa，抗拉强度695MPa，屈服强度达585MPa，伸长率24％，断面收缩率54％；经时效热处理后弹性模量可达67GPa，室温下抗拉强度780MPa，屈服强度690MPa，伸长率12％，断面收缩率29％。

实施例二：

铸造合金的化学组成(质量百分比)为Nb：19.0％，Ta：11.0％，Zr：10.5％，杂质元素含量为C：0.04％、Si：0.03％、Fe：0.10％、N：0.02％、H：0.008％、O：0.10％，余量为Ti。

将上述成分的铸造钛合金按下述工艺进行热处理：固溶热处理温度750℃，保温1小时，水冷，再经时效热处理，时效热处理温度为530℃，保温8小时，空冷。

Ti19Nb11Ta11Zr经上述热处理后常温下的弹性模量为60GPa，抗拉强度710MPa，屈服强度达625MPa，伸长率22％，断面收缩率50％；经时效热处理后弹性模量可达69GPa，室温下抗拉强度805MPa，屈服强度750MPa，伸长率11％，断面收缩率28％。

实施例三：

铸造合金的化学组成(质量百分比)为Nb：20.0％，Ta：12.0％，Zr：12.5％，杂质元素含量为C：0.08％、Si：0.09％、Fe：0.12％、N：0.014％、H：0.007％、O：0.06％，余量为Ti。

将上述成分的铸造钛合金按下述工艺进行热处理：固溶热处理温度800℃，保温1.5小时，水冷，再经时效热处理，时效热处理温度为580℃，保温10小时，空冷。

Ti19Nb11Ta11Zr经固溶热处理后常温下的弹性模量为63GPa，抗拉强度735MPa，屈服强度达640MPa，伸长率19％，断面收缩率42％；经时效热处理后弹性模量可达73GPa，室温下抗拉强度835MPa，屈服强度805MPa，伸长率10.5％，断面收缩率26％。

Claims

1.一种低弹性模量的铸造钛合金，其特征在于该钛合金名义组是Ti19Nb11Ta11Zr，化学组成以质量百分比计为Nb 18.0～20.0％、Ta 10.0～12.0％，Zr 9.5～12.5％，杂质元素含量应控制在C≤0.10％、Si≤0.15％、Fe≤0.3％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量为钛。

2.根据权利要求1所述的一种低弹性模量的铸造钛合金的热处理方法，包括下述工艺步骤：将上述化学成分的铸造钛合金进行固溶热处理，水冷，再经时效热处理，空冷，其特征在于上述的固溶热处理温度为700-800℃，保温0.5-1.5小时，上述的时效热处理温度为480-580℃，保温6-10小时。