CN101760669A - 一种低弹性模量的铸造钛合金 - Google Patents
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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
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 (2)
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。
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