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高強(qiáng)高塑雙相純鈦的制備方法

1745 編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng) 來(lái)源：北京科技大學(xué)

2022-09-02 16:50:53

權(quán)利要求

1.高強(qiáng)高塑雙相純鈦的制備方法，其特征在于具體制備步驟如下：

(1)以氧含量為0.40～0.70wt.％的純鈦粉末為原料，并進(jìn)行3D打印或壓制、真空燒結(jié)；

(2)將步驟(1)得到的樣品加熱到700～1300℃保溫5～30min，隨后在純凈水或者鹽水中進(jìn)行淬火，得到雙相純鈦材料；

(3)將步驟(2)得到的樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試并觀察材料組織。

2.如權(quán)利要求1所述高強(qiáng)高塑雙相純鈦的制備方法，其特征在于步驟(1)所述3D打印工藝參數(shù)為：功率100～270W,掃描速度300～1200mm/s，掃描間隙0.08～0.14mm。

3.如權(quán)利要求1所述高強(qiáng)高塑雙相純鈦的制備方法，其特征在于所述真空燒結(jié)工藝參數(shù)為：升溫速率5～10℃/min,燒結(jié)溫度為900～1300℃，保溫時(shí)間為1～3h，真空度不低于1×10-3Pa。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明屬于粉末冶金領(lǐng)域，涉及制備高強(qiáng)高塑雙相純鈦的方法。

背景技術(shù)

[0002]鈦及鈦合金具有低密度、抗腐蝕性能優(yōu)異、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是，一般情況下純鈦的強(qiáng)度較低，無(wú)法滿足其作為結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用要求，極大限制了其應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，通常采用合金化的方式來(lái)提高鈦的強(qiáng)度，但同時(shí)往往帶了材料塑性的顯著下降，使得鈦的強(qiáng)度與塑性難以兼顧，無(wú)法滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)于高塑性的要求。研究表明，合金化導(dǎo)致材料塑性下降的主要原因是合金元素固溶強(qiáng)化的同時(shí)產(chǎn)生了較大晶格畸變。然而，通過引入具有優(yōu)異變形能力且與基體共格的納米第二相，理論上可以同時(shí)提高純鈦的強(qiáng)度和塑性。因此，本發(fā)明提出一種通過引入納米第二相的方法在保證優(yōu)異塑性的情況下大幅提高純鈦的強(qiáng)度，減少稀有金屬戰(zhàn)略資源的使用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鈦材料的素化設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)高塑雙相鈦的制備方法。以純鈦粉末為原料，通過3D打印、真空燒結(jié)等方法制備純鈦樣品，對(duì)樣品進(jìn)行塑性變形處理或淬火，獲得具有納米尺度馬氏體相且與基體α相共格的雙相結(jié)構(gòu)純鈦材料，室溫力學(xué)性能優(yōu)異。

[0004]本發(fā)明包括如下具體步驟：

[0005](1)以氧含量為0.40～0.70wt.％的純鈦粉末為原料，并進(jìn)行3D打印或壓制、真空燒結(jié)；

[0006](2)將步驟(1)得到的樣品加熱到700～1300℃保溫5～30min，隨后在純凈水或者鹽水中進(jìn)行淬火，得到雙相純鈦材料；

[0007](3)將步驟(2)得到的樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試并觀察材料組織；

[0008]進(jìn)一步地，步驟(1)所述3D打印工藝參數(shù)為：功率100～270W,掃描速度300～1200mm/s，掃描間隙0.08～0.14mm.

[0009]進(jìn)一步地，所述真空燒結(jié)工藝參數(shù)為：升溫速率5～10℃/min,燒結(jié)溫度為900～1300℃，保溫時(shí)間為1～3h，真空度不低于1×10-3Pa。

[0010]本發(fā)明技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于：

[0011]1、粉末原料不同：本發(fā)明3D打印或壓制燒結(jié)工藝所用鈦粉的氧含量為0.40～0.70wt.％，而傳統(tǒng)3D打印霧化鈦粉氧含量一般在0.15wt.％以下，傳統(tǒng)壓制燒結(jié)成形所用鈦粉氧含量則在0.25wt.％以下。

[0012]2、燒結(jié)工藝不同：本發(fā)明采用壓制燒結(jié)成形時(shí)，在真空燒結(jié)后隨爐進(jìn)行淬火(快速冷卻)處理，而傳統(tǒng)工藝則燒結(jié)后隨爐緩慢冷卻。

[0013]3、顯微組織不同：本發(fā)明研制的3D打印或壓制燒結(jié)純鈦具有納米尺度并與基體α相具有共格關(guān)系的馬氏體相(見附圖)。該馬氏體相是由3D打印或燒結(jié)后淬火產(chǎn)生的快速冷卻和高含量氧原子共同誘導(dǎo)形成，彌散分布在基體中，且具有優(yōu)異的塑性，能同時(shí)提高該材料的強(qiáng)度和塑性。顯然，本發(fā)明顛覆了鈦金屬的氧含量與其塑性存在反比關(guān)系的傳統(tǒng)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的協(xié)同兼顧，為高性能金屬材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。然而，通常情況下，采用低氧鈦粉的3D打印或壓制燒結(jié)制備的純鈦材料，因?yàn)楣倘苎踉虞^少，即便在快速冷卻條件下，所產(chǎn)生的晶格畸變也不足以誘導(dǎo)形成大量分布的納米尺度馬氏體相，故無(wú)法有效提高材料的強(qiáng)度。

[0014]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：

[0015](1)采用粉末冶金近凈成形工藝，減少原料浪費(fèi)，降低制備成本。

[0016](2)通過原位誘導(dǎo)生成納米尺度且與基體共格的析出相，形成雙相組織，對(duì)純鈦的組織與性能精確調(diào)控，該析出相具有較基體更好的塑性，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)增塑。

[0017](3)利用納米尺度共格關(guān)系的馬氏體相增強(qiáng)增塑純鈦材料，減少稀有金屬戰(zhàn)略資源的使用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鈦材料的素化設(shè)計(jì)。

附圖說明

[0018]圖1實(shí)施例1制備樣品的透射電鏡照片。

具體實(shí)施方式

[0019]實(shí)施例1

[0020]將氧含量為0.50wt.％純鈦粉末進(jìn)行3D打印，打印過程在氬氣環(huán)境打印工藝為功率150W,掃描速度500mm/s，掃描間隙0.13mm；將打印件置于管式爐中以5℃/min的升溫速率進(jìn)行加熱到1100℃保溫5min，隨后將樣品用耐火鉗夾出放入冷水中淬火得到雙相鈦合金樣品；取出樣品，取樣觀察其組織形貌，然后將其進(jìn)行機(jī)加工成拉伸條，并測(cè)室溫力學(xué)性能。所得納米尺度馬氏體相含量為20.4％，晶粒尺寸寬度為30～60nm，純鈦抗拉強(qiáng)度為1130MPa，斷裂延伸率為13.2％。

[0021]實(shí)施例2

[0022]將氧含量為0.63wt.％純鈦粉末進(jìn)行3D打印，打印過程在氬氣環(huán)境打印工藝為功率180W,掃描速度800mm/s，掃描間隙0.13mm；將打印件置于管式爐中以5℃/min的升溫速率進(jìn)行加熱到1100℃保溫5min，隨后將樣品用耐火鉗夾出放入冷水中淬火得到雙相鈦合金樣品；取出樣品，取樣觀察其組織形貌，然后將其進(jìn)行機(jī)加工成拉伸條，并測(cè)室溫力學(xué)性能。所得納米尺度馬氏體相含量為23.5％，晶粒尺寸寬度為20～40nm，純鈦抗拉強(qiáng)度為1210MPa，斷裂延伸率為10.1％。

[0023]實(shí)施例3

[0024]將氧含量為0.58wt.％純鈦粉末進(jìn)行模壓成形，然后在真空度為1×10-3Pa的真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝為：以5℃/min的升溫速率升溫到900℃保溫3h，隨爐冷卻后取出；將燒結(jié)樣品置于管式爐中以5℃/min的升溫速率進(jìn)行加熱到1100℃保溫5min，隨后將樣品用耐火鉗夾出放入純凈水中淬火得到雙相鈦合金樣品；取出樣品，取樣觀察其組織形貌，然后將其進(jìn)行機(jī)加工成拉伸條，并測(cè)室溫力學(xué)性能。所得納米尺度馬氏體相含量為21.8％，晶粒尺寸寬度為30～50nm，純鈦抗拉強(qiáng)度為1180MPa，斷裂延伸率為12.6％。

[0025]實(shí)施例4

[0026]將氧含量為0.46wt.％純鈦粉末進(jìn)行模壓成形，然后在真空度為1×10-3Pa的真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝為：以5℃/min的升溫速率升溫到1000℃保溫2h，隨爐冷卻后取出；將燒結(jié)樣品置于管式爐中以5℃/min的升溫速率進(jìn)行加熱到1100℃保溫5min，隨后將樣品用耐火鉗夾出放入冷水中淬火得到雙相鈦合金樣品；取出樣品，取樣觀察其組織形貌，然后將其進(jìn)行機(jī)加工成拉伸條，并測(cè)室溫力學(xué)性能。所得納米尺度馬氏體相含量為19.6％，晶粒尺寸寬度為40～80nm，純鈦抗拉強(qiáng)度為1090MPa，斷裂延伸率為15.6％。

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