一种提高钛合金强度的方法与流程

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种提高钛合金强度的方法。

背景技术：

钛合金具有密度低、热强性好、耐蚀性和生物相容性优异等优点，在航空、航天、舰船、生物医学等领域获得了日益广泛的应用。但其强度与熔点相比，其潜在的强度性能还远未发掘出来，不能满足人们越来越高的需求。由于其强度不足，经常导致其疲劳、磨损、腐蚀等性能降低，零构件使用寿命缩短。固溶强化是目前钛合金主要的强化方式之一，通过铌、锆、铝、钒等均可有效强化钛合金，但这些多元合金成分复杂，且添加的铌、锆等元素价格昂贵，增加了合金的加工难度。因此，目前还没有更合适的方法进一步提高钛及其合金的强度。而强度的低下使人们不得不增加材料的用量，这就造成了钛合金应用范围受到很大限制。

然而，作为固溶强化效果最显著的元素，氧、氮的强化效果却没有得到充分的利用。0.46wt％的氧、0.23wt％的氮分别能使tc4钛合金强度从290mpa提高到700mpa、920mpa，其强化效果远高于其他常用的al、sn、zr、mo等合金化元素。但由于对塑性的严重损害，通常工业tc4钛合金中的氧、氮含量分别严格控制在0.2wt.％、0.05wt.％以下。因此需要对微观结构进行重新设计，充分利用氧、氮的强化作用，同时减弱其对塑性的损害，探索高强度的钛合金的制备路线。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种提高钛合金强度的方法。该方法对钛合金粉末在高温下渗氧处理或者渗氮处理，使粉末表里形成钛氧化物或者钛氮化物、氧固溶或氮固溶、基体的梯度结构；再将处理后的钛合金粉末进行等离子活化烧结处理，获得致密的块体材料；最后进行真空热处理，调控材料的力学性能，即可有效提高钛合金的强度，同时保留一定的压缩塑性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：步骤一、对钛合金粉末进行表面渗氧处理或渗氮处理；

步骤二、对步骤一中经渗氧处理或渗氮处理后的钛合金粉末进行等离子活化烧结处理，得到致密的钛合金块体材料；

步骤三、对步骤二中得到的钛合金块体材料进行真空热处理。

上述的一种提高钛合金强度的方法，其特征在于，步骤一中所述钛合金粉末经旋转电极制粉法制得。

上述的一种提高钛合金强度的方法，其特征在于，所述球形钛合金粉末的粒度为60目～100目。

上述的一种提高钛合金强度的方法，其特征在于，步骤一中所述渗氧处理或渗氮处理的具体过程为：将钛合金粉末置于管式炉中在900℃～1000℃的条件下进行渗氧或渗氮处理，处理的时间为15min～30min，处理过程中不断搅拌粉末，保证钛合金粉末渗氧或渗氮均匀。

上述的一种提高钛合金强度的方法，其特征在于，步骤二中所述等离子活化烧结处理的温度为1000℃～1200℃，压强为10mpa～50mpa，保温时间为5min。

上述的一种提高钛合金强度的方法，其特征在于，步骤三中所述真空热处理的温度为1000℃～1300℃，时间为1h～10h。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的方法简单，采用粉末冶金法制备高强钛材，处理方法简单，几乎不改变材料化学成分，只是通过氧或氮的固溶来改善钛合金的强度。

2、本发明制备得到的钛材质量稳定。通过本发明制备的材料，样品致密，同时通过控制工艺参数，样品质量稳定，重复性好。

3、通过传统的钛块体渗氧或渗氮，会在整个块体区域沿表层到心部形成梯度结构，由表层的渗氮层过渡到心部基体。这样，表层强度高，塑性差，而基体强度低，塑性好，强度和塑性始终无法兼得。但是本发明的方法，则先在粉末颗粒表里形成成分、硬度梯度，颗粒表层由氮固溶或形成化合物强化，内部为软的基体，然后将粉末烧结成块体。由于钛高温下会发生α-β相变，外壳由于氧或氮含量高，提高了α-β转变温度。因此，对α+β钛合金，在高温下，壳为α相，核为α+β相，形成核壳界面(即α/β界面)。而冷却到室温后，虽然核和壳均为α相，但高温下的α/β核壳界面会保留，在整个块体材料的内部形成了空间连续的硬软相结合的核壳网络结构材料。材料在变形过程中，富氧或富氮壳提高强化，核提供塑性。而对于β钛合金，由于氧、氮均为α稳定元素，高温渗氧或渗氮后，在高温下β基体中会析出α相，大量的α相分布在晶界表层，形成非连续的核壳网络结构。第二项聚集的壳提高强化，核提供塑性。这样，具备连续或不连续核壳结构的材料就具有了较高的强度，并保留了一定的塑性。

4、本发明中间产物块体材料进行更高温度的退火热处理，核壳体积比例会变化，从而在较大范围内调控材料的力学性能，可实现材料强度与塑性的最佳配合，延长材料的使用寿命。本发明利用粉末冶金方法，形成了一种由核壳颗粒构成的块体结构，给传统材料赋予了优异的性能，这在基础研究与工程应用方面均有十分广阔的前景。

5、采用本发明的制备方法来进行强化，既可以得到成本较低的高强钛合金零件，又为金属尤其是钛的强化提供一个新的思路，并为其他的金属进行强化提供借鉴，推动金属材料强化技术的进步。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例1步骤一中经渗氮处理后tc4钛合金粉末的金相照片。

图2是本发明实施例1步骤二中经真空等离子活化烧结处理后得到的tc4钛合金块体材料的金相图。

图3是60目～100目的球形tc4钛合金粉未经渗氮处理，直接采用等离子活化烧结处理得到的tc4钛合金块体材料的金相图。

图4是本发明实施例1步骤三中经真空热处理后的tc4钛合金块体材料的金相图。

图5是本发明实施例5步骤一中经渗氮处理后得到的tlm钛合金粉末的金相图。

图6是本发明实施例5步骤二中经真空等离子活化烧结处理后得到的tlm钛合金块体材料的金相图，图7为图6壳处的放大图。。

图7是图6中的a部放大图。

图8是60目～100目的球形tlm钛合金粉未经渗氮处理，直接采用等离子活化烧结处理得到的tlm钛合金块体材料的金相图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提高tc4钛合金强度的方法包括以下步骤：

步骤一、选取粒度为60目～100目的球形tc4钛合金粉末置于管式炉中在1000℃的条件下进行15min的渗氮处理，渗氮处理过程中不断搅拌tc4钛合金粉末，保证tc4钛合金粉末渗氮均匀，使tc4钛合金粉末形成核壳结构；

步骤二、将步骤一中经渗氮处理后的tc4钛合金进行等离子活化烧结处理，得到相对密度为99.9％的tc4钛合金块体材料；所述等离子活化烧结处理的温度为1100℃，压强为45mpa，保温时间为5min；

步骤三、对步骤二中得到的tc4钛合金块体材料进行在1100℃的条件下真空热处理1h。

本实施例的tc4钛合金粉末的制备过程为：采用电子束真空熔炼法制备的低杂质含量纯净化的tc4钛合金铸锭，该tc4钛合金铸锭采用旋转电极制备成球形的tc4钛合金粉末。

图1是本实施例步骤一中经渗氮处理后tc4钛合金粉末的金相照片，由图可知，粉末颗粒形成明显的核壳结构。壳为富氮α相，核则为低间隙含量的tc4基体。图2是本实施例步骤二中经真空等离子活化烧结处理后得到的tc4钛合金块体材料的金相图，由图可知，烧结后粉末颗粒的核壳结构得以保留，硬壳网络相连贯穿整个tc4钛合金块体材料。壳为富氮α相，核则为低间隙含量的α+β相。图3是60目～100目的球形tc4钛合金未经渗氮处理，直接采用等离子活化烧结处理得到的tc4钛合金块体材料的金相图，由图可知，烧结后形成均匀结构。

图4是本实施例步骤三中经1000℃真空热处理后的tc4钛合金块体块材的金相图，有图可知，壳面积比例有所增大。tc4钛合金块材的强化主要来自两方面，均与壳相关。一为氮的固溶强化，导致壳强度提高；另一方面来自壳对核变形的束缚作用。因此，tc4钛合金块材中壳面积的增大会导致整体强度的增大。而核中的氮含量较低，保留了一定的塑性变形能力，保证了tc4钛合金块材整体具备一定的塑性。

而tc4钛合金块材经1500℃真空热处理后，氮元素在tc4钛合金基体中充分扩散，导致核壳结构消失，形成普通结构块材。此时基体中氮含量较高，导致了块材整体塑性的急剧下降。因为氮元素挥发温度高于1500℃，因此与核壳结构块材相比，成分完全相同，其力学性能的恶化完全来自微观结构的改变(核壳结构的消失)。

经检测，经本实施例步骤一的渗氮处理后tc4钛合金，其氮含量为0.9wt％。

本实施例中，经等离子活化烧结处理后得到的tc4钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1180mpa，压缩延伸率10％；经1000℃真空热处理后的tc4钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1350mpa，压缩延伸率13％；而经1500℃、10h真空热处理后的tc4钛合金核壳结构完全消失，其力学性能为：屈服强度为1140mpa,压缩延伸率为3％。而将60目～100目的球形tc4钛合金未经渗氮处理，直接通过本实施例步骤二中的等离子活化烧结处理实验得到的tc4钛合金块体材料的室温屈服强度为800mpa，因此，通过本实施例的强化方法可显著提高tc4钛合金块体材料的强度，并具有良好的塑性，有利于扩大应用范围。

实施例2

本实施例提高tc4钛合金强度的方法包括以下步骤：

步骤一、选取粒度为60目～100目的球形tc4钛合金粉末置于管式炉中在900℃的条件下进行15min的渗氮处理，渗氮处理过程中不断搅拌tc4钛合金粉末，保证tc4钛合金粉末渗氮均匀，使tc4钛合金粉末形成核壳结构；

步骤二、将步骤一中经渗氮处理后的tc4钛合金粉末进行等离子活化烧结处理，得到相对密度为99.9％的tc4钛合金块体材料；所述等离子活化烧结处理的温度为1100℃，压强为50mpa，保温时间为5min；

步骤三、对步骤二中得到的tc4钛合金粉末块体材料进行在1000℃的条件下真空热处理10h。

本实施例的tc4钛合金粉末的制备过程为：采用电子束真空熔炼法制备的低杂质含量纯净化的tc4钛合金铸锭，该tc4钛合金铸锭采用旋转电极制备成球形的tc4钛合金粉。

经检测，经本实施例步骤一的渗氮处理后tc4钛合金粉末，其氮含量为0.5wt％。

本实施例中，经等离子活化烧结处理后得到的tc4钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1000mpa，压缩延伸率28％；经真空热处理后的tc4钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1100mpa，压缩延伸率26％；而经1500℃、10h真空热处理后的tc4钛合金核壳结构完全消失，其力学性能为：屈服强度为940mpa,压缩延伸率为20％。而将60目～100目的球形tc4钛合金粉未经渗氮处理，直接通过本实施例步骤二中的等离子活化烧结处理实验得到的tc4钛合金块体材料的室温屈服强度为800mpa，因此，通过本实施例的方法可显著提高tc4钛合金块体材料的强度，并具有良好的塑性，有利于扩大其应用范围。

实施例3

本实施例提高tc4钛合金强度的方法包括以下步骤：

步骤一、选取粒度为60目～100目的球形tc4钛合金粉末置于管式炉中在900℃的条件下进行10min的渗氧处理，渗氧处理过程中不断搅拌tc4钛合金粉末，保证tc4钛合金粉末渗氧均匀，使tc4钛合金粉末形成核壳结构；

步骤二、将步骤一中经渗氧处理后的tc4钛合金粉末进行等离子活化烧结处理，得到相对密度为99.9％的tc4钛合金块体材料；所述等离子活化烧结处理的温度为1200℃，压强为10mpa，保温时间为5min；

步骤三、对步骤二中得到的tc4钛合金块体材料进行在1100℃的条件下真空热处理1h。

本实施例的tc4钛合金粉末的制备过程为：采用电子束真空熔炼法制备的低杂质含量纯净化的tc4钛合金铸锭，该tc4钛合金铸锭采用旋转电极制备成球形的tc4钛合金粉。

经检测，经本实施例步骤一的渗氧处理后tc4钛合金粉末，其氧含量为0.45wt％。

本实施例中，经等离子活化烧结处理后得到的tc4钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1120mpa，压缩延伸率20％；经真空热处理后的tc4钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1240mpa，压缩延伸率23％；而经1500℃、10h真空热处理后的tc4钛合金核壳结构完全消失，其力学性能为：屈服强度为1010mpa,压缩延伸率为5％。而将60目～100目的球形tc4钛合金粉未经渗氮处理，直接通过本实施例步骤二中的等离子活化烧结处理实验得到的tc4钛合金块体材料的室温屈服强度为800mpa，因此，通过本实施例的方法可显著提高tc4钛合金块体材料的强度，并具有良好的塑性，有利于扩大其应用范围。

实施例4

本实施例提高tc4钛合金强度的方法包括以下步骤：

步骤一、选取粒度为60目～100目的球形tc4钛合金粉末置于管式炉中在900℃的条件下进行20min的渗氧处理，渗氧处理过程中不断搅拌tc4钛合金粉末，保证tc4钛合金粉末渗氮均匀，使tc4钛合金粉末形成核壳结构；

步骤二、将步骤一中经渗氧处理后的tc4钛合金粉末进行等离子活化烧结处理，得到相对密度为99.9％的tc4钛合金块体材料；所述等离子活化烧结处理的温度为1200℃，压强为40mpa，保温时间为5min；

步骤三、对步骤二中得到的tc4钛合金块体材料进行在1200℃的条件下真空热处理3h。

本实施例的tc4钛合金粉末的制备过程为：采用电子束真空熔炼法制备的低杂质含量纯净化的tc4钛合金铸锭，该tc4钛合金铸锭采用旋转电极制备成球形的tc4钛合金粉。

经检测，经本实施例步骤一的渗氧处理后tc4钛合金粉末，其氧含量为0.42wt％。

本实施例中，经等离子活化烧结处理后得到的tc4钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1180mpa，压缩延伸率18％；经真空热处理后的tc4钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1280mpa，压缩延伸率20％；而经1500℃、10h真空热处理后的tc4钛合金核壳结构完全消失，其力学性能为：屈服强度为1100mpa,压缩延伸率为4％。而将60目～100目的球形tc4钛合金粉末未经渗氮处理，直接通过本实施例步骤二中的等离子活化烧结处理实验得到的tc4钛合金块体材料的室温屈服强度为800mpa，因此，通过本实施例的方法可显著提高tc4钛合金块体材料的强度，并具有良好的塑性，有利于扩大其应用范围。

实施例5

本实施例提高tlm钛合金(名义成分ti-3zr-2sn-3mo-25nb)强度的方法包括以下步骤：

步骤一、选取粒度为60目～100目的球形tlm钛合金置于管式炉中在1000℃的条件下进行15min的渗氮处理，渗氮处理过程中不断搅拌tlm钛合金粉末，保证tlm钛合金粉末渗氮均匀，使tlm钛合金粉末形成核壳结构；

步骤二、将步骤一中经渗氮处理后的tlm钛合金粉末进行等离子活化烧结处理，得到相对密度为99.9％的钛合金块体材料；所述等离子活化烧结处理的温度为1100℃，压强为50mpa，保温时间为5min；

步骤三、对步骤二中得到的tlm钛合金块体材料进行在1000℃的条件下真空热处理10h。

图5是本实施例步骤一中经渗氮处理后tlm钛合金粉末的金相图，由图可知，粉末颗粒形成明显的核壳结构。壳由大量非连续析出的针状α相聚集而成，核为tlm基体。图6是本实施例步骤二中经等离子活化烧结处理后得到的tlm钛合金块体材料的金相图，由图可知，烧结后粉末颗粒的核壳结构得以保留，硬壳网络相连贯穿整个材料。图7是图6的a部放大图，由图可见，壳由大量不连续的析出第二相聚集而成，核则含量少量α析出相。图8是60目～100目的球形钛tlm钛合金粉末未经渗氮处理，直接采用等离子活化烧结处理得到的tlm钛合金粉末块体材料的金相图，由图可知，烧结后形成β相均匀结构。材料的强化主要来自两方面，均与壳相关。一为氮的固溶强化，导致壳强度提高；另一方面来自壳对核变形的束缚作用。因此，材料中壳面积的增大会导致整体强度的增大。而核中的氮含量较低，保留了一定的塑性变形能力，且非连续核壳结构软核互相联通，保证了材料整体具备较高的塑性。

而材料经1300℃真空热处理后，氮元素在β钛合金基体中充分扩散，导致核壳结构消失，形成普通结构材料。此时基体中氮含量较高，导致了材料整体塑性的急剧下降。因为氮元素挥发温度高于1500℃，因此与核壳结构材料相比，成分完全相同，其力学性能的恶化完全来自微观结构的改变(核壳结构的消失)。

经检测，经本实施例步骤一的渗氮处理后钛合金，其氮含量为0.98wt％。

本实施例中，经等离子活化烧结处理后得到的tlm钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1000mpa，压缩延伸率22％；经真空热处理后的tlm钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度900mpa，压缩延伸率20％；而经1300℃、10h真空热处理后的tlm钛合金核壳结构完全消失，其力学性能为：屈服强度为800mpa,压缩延伸率为12％。而将60目～100目的球形tlm钛合金粉末未经渗氧处理，直接通过本实施例步骤二中的等离子活化烧结处理实验得到的tlm钛合金块体材料的室温屈服强度为480mpa，因此，通过本实施例的方法可显著提高钛合金块体材料的强度，并具有良好的塑性，有利于扩大其应用范围。

本实施例的tlm钛合金粉末的制备过程为：采用电子束真空熔炼法制备的低杂质含量纯净化的tlm钛合金铸锭，该tlm钛合金铸锭采用旋转电极制备成球形的tlm钛合金粉末。

实施例6

本实施例提高钛合金tlm(名义成分ti-3zr-2sn-3mo-25nb)钛合金强度的方法包括以下步骤：

步骤一、选取粒度为60目～100目的球形tlm钛合金置于管式炉中在900℃的条件下进行10min的渗氧处理，渗氧处理过程中不断搅拌tlm钛合金粉末，保证tlm钛合金渗氧均匀，使钛合金末形成核壳结构；

步骤二、将步骤一中经渗氧处理后的tlm钛合金粉末进行等离子活化烧结处理，得到相对密度为99.9％的tlm钛合金块体材料；所述等离子活化烧结处理的温度为1150℃，压强为10mpa，保温时间为5min；

步骤三、对步骤二中得到的tlm钛合金块体材料进行在1300℃的条件下真空热处理1h。

经检测，经本实施例步骤一的渗氮处理后tlm钛合金，其氧含量为1.5wt％。

本实施例的tlm钛合金的制备过程为：采用电子束真空熔炼法制备的低杂质含量纯净化的钛合金tlm钛合金铸锭，该tlm钛合金铸锭采用旋转电极制备成球形的tlm钛合金粉末。

本实施例中，经等离子活化烧结处理后得到的tlm钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1400mpa，压缩延伸率13％；经真空热处理后的tlm钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1210mpa，压缩延伸率8％；而经1300℃、10h真空热处理后的tlm钛合金核壳结构完全消失，其力学性能为：屈服强度为1050mpa,压缩延伸率为6％。而将60目～100目的球形tlm钛合金未经渗氮处理，直接通过本实施例步骤二中的等离子活化烧结处理实验得到的tlm钛合金块体材料的室温屈服强度为480mpa，因此，通过本实施例的方法可显著提高tlm钛合金块体材料的强度，并具有良好的塑性，有利于扩大其应用范围。

实施例7

本实施例提高β钛合金tle(名义成分ti-3zr-mo-15nb)强度的方法包括以下步骤：

步骤一、选取粒度为60目～100目的球形钛合金置于管式炉中在1000℃的条件下进行3min的渗氧处理，渗氧处理过程中不断搅拌钛合金粉末，保证钛合金渗氧均匀，使钛合金末形成核壳结构；

步骤二、将步骤一中经渗氧处理后的钛合金进行等离子活化烧结处理，得到相对密度为99.9％的钛合金块体材料；所述等离子活化烧结处理的温度为1100℃，压强为50mpa，保温时间为5min；

步骤三、对步骤二中得到的钛合金块体材料进行在1100℃的条件下真空热处理8h。

经检测，经本实施例步骤一的渗氧处理后钛合金，其氧含量为1.44wt％。

本实施例的tle钛合金的制备过程为：采用电子束真空熔炼法制备的低杂质含量纯净化的tle钛合金铸锭，该tle钛合金铸锭采用旋转电极制备成球形的tle钛合金粉末。

本实施例中，经等离子活化烧结处理后得到的钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1420mpa，压缩延伸率9％；经真空热处理后的钛合金块体材料在室温力学性能为：屈服强度1100mpa，压缩延伸率7％；而经1300℃,10h真空热处理后的tle钛合金核壳结构完全消失，其力学性能为：屈服强度为1080mpa,压缩延伸率为4％。而将60目～100目的球形钛合金未经渗氧处理，直接通过本实施例步骤二中的等离子活化烧结处理实验得到的钛合金块体材料的室温屈服强度为470mpa，因此，通过本实施例的方法可显著提高钛合金块体材料的强度，并具有良好的塑性，有利于扩大其应用范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。