专利名称：一种快速烧结制备Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金的方法
技术领域：
本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种快速烧结制备Ti-MNb-4&-7. 9Sn 合金的方法。
背景技术：
钛及其钛合金具有低密度、高比强度、良好的高温强度、卓越的耐腐蚀性等优异性能，广泛应用于汽车、生物工程和航空航天等领域。但是，钛及其合金的机加工性能差，硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削，成为大量生产复杂形状零件的障碍，因而用粉末冶金法生产钛部件备受注目。钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6A1-4V ELI合金，但会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。日本、 英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金，这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6A1-4V ELI。与α+β钛合金相比，β钛合金具有更高的强度水平，以及更好的切口性能和韧性，更适于作为植入物植入人体。β型钛合金是近年来钛合金重点研究领域，日本TKK公司采用Ti粉与 39A1-26V-17. 5Fe-17. 5Mo中间合金粉，通过混料、模压以及真空烧结制备了 SP-700钛合金，Ti-15Mo-3Nb是美国TIMET公司在Ti-15Mo-3Nb_3Al基础上发展的一种新型低弹性模量、高强度和具有更好抗腐蚀性能的一种亚稳定β型生物钛合金，Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金是一类特殊的β型钛合金，中科院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室工程合金研究部杨锐、郝玉琳等专家采用熔铸法研制成功并已在临床试用，此方法对实验材料，实验环境等要求比较高，而采用粉末冶金法制备Ti-24Nb-4&-7. 9Sn合金因其制备工艺简单，成本低，近年来已成为钛基复合材料研究领域的热点之一。放电等离子烧结(spark plasma sintering, SPS)是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术，也称等离子活化烧结(plasma activated sintering，PAS)。传统的热压烧结主要是由模具热辐射和加压造成的塑性变形这两个因素促进烧结过程的进行，而SPS 过程除上述作用外，在压实颗粒样品上施加了由特殊电源产生的直流脉冲电流，并有效地利用了在粉体颗粒间放电所产生的自身发热作用，具有不同于传统烧结方法的特点，主要有
1)致密度高、表面活化作用在SPS过程中晶粒表面容易活化，通过表面扩散的物质传递也得到了促进。晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用，体扩散和晶界扩散都得到加强，加速了致密化的进程。在SPS过程中，由于粉体内部自发热作用，极大地抑制了晶粒长大的效果，当在晶粒的孔隙处放电时，会产生高达几千度至一万度的局部高温，在晶粒表面引起蒸发和熔化，并在晶粒接触点形成颈部，促进材料的烧结；又由于局部发热，因此所形成的颈部快速冷却，使颈部的蒸气压降低，引起物质的蒸发-凝固传递，促进了材料的致密化。2)节约能源在SPS过程中，放电点(局部高温源)可在压实颗粒间移动而布满整个样品，这样就使样品均勻地发热并节约了能源，因此能将高能脉冲集中在晶粒结合处是 SPS过程不同于其它烧结过程的一个主要特点。3)另外，通过综合利用通-断电控制直流脉冲通电初期的火花放电造成的局部高温场、放电冲击压、表面净化作用、焦耳加热以及电场扩散效果等而实现的直接加热方式，由于热效率高、放电点分散加热均勻故容易得到高质量的均质烧结体。
发明内容
为了解决现有Ti-Nb-Zr-Sn合金方法存在的上述技术问题，本发明提供一种快速烧结制备Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金的方法，本发明所提供的制备方法烧结温度低、烧结时间短、 节能环保、所得产物致密度高、晶粒尺寸较细小均勻，杂质少。本发明解决上述技术问题的技术方案如下将TiH2、Nb、Zr、Sn粉体按质量比配比装入石墨模具中，再置入放电等离子烧结炉中，在真空条件下以100°c /min的升温速度升温至650°C，并在该温度下保温5min，再以100°C /min升温至烧结温度1150°C 1350°C，在烧结温度下保温IOmin后随炉冷却得到Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金，其中烧结压力为10 80MPa，真空条件下真空度为10_2Pa。进一步的，烧结压力为lOMpa，烧结温度为1150°C。进一步的，烧结压力为40Mpa，烧结温度为1200°C。进一步的，烧结压力为50Mpa，烧结温度为1250°C。进一步的，烧结压力为50Mpa，烧结温度为1300°C。进一步的，烧结压力为80Mpa，烧结温度为1350°C。本发明的有益效果在于
1.与常规模压烧结和熔渗法比较，采用放电等离子烧结，烧结致密化时间显著减少，烧结温度也显著降低。2.放电等离子烧结制备的烧结样品致密度最高可达99. 7%，晶粒尺寸约为45 μ m， 微观结构良好，孔隙很少。
具体实施例方式实施例1
1)将TiH2, Nb，Zr，Sn粉体按质量比配比并在石墨模具中压实后，在放电等离子烧结装置中烧结成Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金，烧结工艺为真空条件下，真空度为10_2Pa，以 IOO0C /min的速度升温至650°C，烧结压力lOMpa，在该温度下保温5min，再以100°C /min 的速度升温至所需烧结温度1150°C，在该温度下保温10 min后随炉冷却，得到致密度为 97. 5%，钼晶粒平均尺寸为43 μ m的Ti-MNb_4&-7. 9Sn合金。实施例2
1)将TiH2, Nb，Zr，Sn粉体按质量比配比并在石墨模具中压实后，在放电等离子烧结装置中烧结成Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金，烧结工艺为真空条件下，真空度为10_2Pa，以 IOO0C /min的速度升温至650°C，烧结压力40Mpa，在该温度下保温5min，再以100°C /min 的速度升温至所需烧结温度1200°C，在该温度下保温10 min后随炉冷却，得到致密度为98. 4%,钼晶粒平均尺寸为44 μ m的Ti-MNb_4&-7. 9Sn合金。实施例3
1)将TiH2, Nb, Zr, Sn粉体按质量比配比并在石墨模具中压实后，在放电等离子烧结装置中烧结成Ti-24Nb-4&-7. 9Sn合金，烧结工艺为真空条件下，真空度为10_2Pa，以100 / min的速度升温至650°C，烧结压力50Mpa，在该温度下保温5min，再以100°C/min的速度升温至所需烧结温度1250°C，在该温度下保温10 min后随炉冷却，得到致密度为99. 4%，钼晶粒平均尺寸为45 μ m的Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金。实施例4
1)将TiH2, Nb，Zr，Sn粉体按质量比配比并在石墨模具中压实后，在放电等离子烧结装置中烧结成Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金，烧结工艺为真空条件下，真空度为10_2Pa，以 IOO0C /min的速度升温至650°C，烧结压力50Mpa，在该温度下保温5min，再以100°C /min 的速度升温至所需烧结温度1300°C，在该温度下保温10 min后随炉冷却，得到致密度为 95. 5%，钼晶粒平均尺寸为46 μ m的Ti-MNb_4&-7. 9Sn合金。实施例5
1)将TiH2, Nb, Zr, Sn粉体按质量比配比并在石墨模具中压实后，在放电等离子烧结装置中烧结成Ti-24Nb-4&-7. 9Sn合金，烧结工艺为真空条件下，真空度为10’a以100°C / min的速度升温至650°C，烧结压力80Mpa，在该温度下保温5min，再以100°C/min的速度升温至所需烧结温度1350°C，在该温度下保温10 min后随炉冷却，得到致密度为99. 7%，钼晶粒平均尺寸为47 μ m的Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金。实施例中制备的Ti-MNb-4&_7. 9Sn合金的各项条件如表1所示，结果显示在烧结温度为1250°C，烧结压力50Mpa下，能够制备几乎全致密Ti-MNb_4&-7. 9Sn合金，综合性能为所有实施例中最佳。表 权利要求
1.一种快速烧结制备Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金的方法，其步骤包括将TiH2、Nb、Zr、 Sn粉体按质量比配比装入石墨模具中，再置入放电等离子烧结炉中，在真空条件下先以 IOO0C /min的升温速度升温至650°C温度，并在该温度下保温5min，再以100°C /min升温至烧结温度1150°C 1350°C，在烧结温度下保温IOmin后随炉冷却得到Ti-MNb_4&-7. 9Sn 合金，其中烧结压力为10 80MPa，真空条件下真空度为10_2Pa。
2.如权利要求1所述的快速烧结制备Ti-MNb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述烧结压力为lOMpa，烧结温度为1150°C。
3.如权利要求1所述的快速烧结制备Ti-MNb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述烧结压力为40Mpa，烧结温度为1200°C。
4.如权利要求1所述的快速烧结制备Ti-24Nb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述烧结压力为50Mpa，烧结温度为1250°C。
5.如权利要求1所述的快速烧结制备Ti-MNb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述烧结压力为50Mpa，烧结温度为1300°C。
6.如权利要求1所述的快速烧结制备Ti-MNb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述烧结压力为80Mpa，烧结温度为1350°C。
全文摘要
本发明提供一种快速烧结制备Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金的方法，其步骤如下将TiH2、Nb、Zr、Sn粉体按质量比配比装入石墨模具中，再置入放电等离子烧结炉中，在真空条件下先以100℃/min升温速度升温至650℃，并在该温度下保温5min，再以100℃/min升温至烧结温度1150℃～1350℃，在烧结温度下保温10min后随炉冷却得到合金，其中烧结压力为10～80MPa，真空条件下真空度为10-2Pa。本发明所提供的制备方法烧结温度低、烧结时间短、节能环保、所得产物致密度高、晶粒尺寸较细小均匀，杂质少，抗拉强度高，硬度大等，具有节能环保，操作简单，可重复性强等优点。
文档编号B22F3/105GK102392150SQ201110344058
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者康启平, 张勇强, 肖勇, 蔡春波, 郭世柏 申请人:湖南科技大学