一种具有优良力学性能的β钛合金材料及其制备方法

本发明属于金属材料处理领域，涉及一种具有优良力学性能的β钛合金材料及其制备方法。

背景技术：

β钛合金因其密度低、比强度高、耐蚀性好等优点，是国民经济中一种不可或缺、具有广泛应用前景的工程结构功能材料，被广泛应用于临床医学，航空工业，石油化工等重要领域。其中，β钛合金在航天航空领域的应用需要机械性能(如硬度、强度等)的进一步改善，在生物医学领域作为人体植入方面需要耐磨性、抗腐蚀性的进一步提高，目前这在β钛合金研究领域仍然是一个困难的挑战。

工程结构功能材料通常要求具有优良的力学性能，提高材料的强度主要通过增大位错运动的阻力来实现，在组织上表现为制造位错运动的障碍。通过在金属及金属合金中添入固溶原子(包括置换型固溶原子与间隙型固溶原子)，在微观上表现为固溶原子钉扎材料内部缺陷(如位错)，从而达到固溶强化效果。例如，合金元素mo是β钛合金中重要的β合金化元素之一，在β型钛合金中可无限互溶，形成连续固溶体。在提高钛合金强度和稳定性的同时可保持合金的塑性，但由于mo元素价格昂贵，mo元素的加入会极大降低材料的延展性，限制了其发展与应用。作为植入体的生物医用材料长期处于人体组织液内，各种关节和内外固定装置在人日常生活中会不断发生摩擦受到磨损，这要求医用金属材料具有优异的抗腐蚀性和耐磨性。目前，提高材料的耐磨耐蚀性通常通过渗碳/渗氮等表面处理技术，即通过在工件表层形成硬度较高的碳化物/氮化物来强化金属表面。但是这两种典型的工艺方法在投入生产应用中不可避免的出现了许多问题，如处理后过热晶粒粗大，表面脱碳，渗碳层不足、过深以及不均匀等问题。这些问题会影响表面硬度和耐磨性，且淬火应力增加易导致开裂，从而降低使用寿命，造成工件报废。

通过近40年对金属及金属合金成分和结构梯度的探索，研究人员认为在金属内部形成梯度结构的制备方法是一种获得增强型工程材料的重要方法。各种梯度结构材料的制备，例如通过渗碳处理形成碳原子在材料内部梯度分布，梯度晶粒材料(微米级晶粒和纳米晶粒的混合物或具有晶粒尺寸从表面向基体内部连续变化的梯度晶粒结构)，纳米层状材料和纳米孪晶金属材料。这些新兴的梯度材料通常表现出空前的机械性能，以及显著的耐磨性和耐腐蚀性，这在具有均质或随机微观结构的材料中是找不到的。然而这种梯度材料的制备方法，在钛及钛合金还未得到充分的发展。钛是一种非常活泼的元素，极易与氧结合。氧元素作为间隙型固溶原子在与钛形成氧化物之前，在钛基体中具有较高的溶解性。在过去研究中显示，氧对钛及钛合金的相稳定性和力学性能有着重要影响。氧元素作为钛合金中主要的杂质元素之一，钛基体中溶解的氧原子会导致间隙固溶强化而硬化，并会显著改变钛合金的各方面机械性能。但在钛及钛合金材料制备与加工过程中依然面临着氧含量难以控制的问题，且难以解决氧含量稍高而引起材料变脆的问题，导致材料力学性能不够理想。

综上所述，上述方法虽然都能够实现调控金属钛及钛合金材料的力学性能，然而这些制备方法本身不是存在一定的缺点，就是还未得到充分的证实与发展，不能够达到工业应用所要求的制备成本低、针对性好、操作可靠性高、批量化生产、经济节能等要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具有优良力学性能的β钛合金材料及其制备方法，该β钛合金材料的力学性能优异，且制备过程中具有针对性好、操作可靠性高、经济节能及适合工业批量化生产的特点。

为达到上述目的，本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料包括金属β钛基体以及固溶于金属β钛基体中并呈梯度分布的氧原子。

金属钛基体的材质为β钛基合金或者含钛元素大于50at.％的钛合金材料。

固溶于金属钛基体中氧原子的含量大于等0小于等于5at.％。

一种具有优良力学性能的β钛合金材料的制备方法包括以下步骤：

1)对金属β钛基体进行预处理；

2)将金属β钛基体置于管式炉中，并通入惰性气体，调节惰性气体的流量与管式炉内的真空度，再升温加热至预设温度，然后再向管式炉中另外通入一路氧气与惰性气体形成的混合气体，并保持管式炉内的真空度不变，再进行保温，其中，所述预设温度高于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度，且所述预设温度低于金属β钛基体的再结晶温度；

3)将管式炉内的金属β钛基体进行淬火处理，再进行冷却，其中，冷却的截止温度低于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度；

4)去除金属β钛基体表层的氧化层，得具有优良力学性能的β钛合金材料。

步骤1)的具体操作为：金属β钛基体表面进行超声波清洗，以去除金属β钛基体表面附着的污物，再进行烘干处理。

步骤2)中升温加热的升温速度为5℃/min～10℃/min，升温加热的最高温度为600℃～1400℃，通入的惰性气体流量为1.0×10⁰sccm～1.0×10⁵sccm，升温加热过程中管式炉内的真空度为1.0×10⁰pa～1.0×10³pa。

步骤2)中混合气体中氧气的体积百分数为0.01％～99.99％，保温温度为600℃～1400℃，保温时间为10min～300min。

步骤3)中，冷却过程中冷却速率大于临界冷却速度。

步骤4)中采用机械打磨工艺、机械抛光工艺、电化学抛光工艺或酸洗工艺去除金属β钛基体表层的氧化层。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料及其制备方法在具体操作时，所述具有优良力学性能的β钛合金材料包括金属β钛基体以及固溶于金属β钛基体中并呈梯度分布的氧原子，通过在金属β钛基体中形成氧元素含量由表面向芯部逐渐递减的梯度分布，金属β钛基体中的氧元素通过钉扎位错、增大位错运动的阻力实现材料强度的提高，由于原子扩散机制，金属β钛基体中越靠近表面的氧元素含量越高，对材料的硬化效果明显，力学性能优异。另外，在制备时，将金属β钛基体放置于管式炉中，再在氧气与惰性气体形成的混合气体的保护气氛下进行加热保温，然后淬火处理冷却至室温，其中，加热温度高于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度，且所述预设温度低于金属β钛基体的再结晶温度，其中，在高温下材料表面的致密氧化膜破裂，氧原子加快由钛基体表面向芯部扩散，从而在金属β钛基体中形成氧元素含量由表面向芯部逐渐递减的梯度分布，操作简单、方便，具有针对性好、操作可靠性高、经济节能及适合工业批量化生产的特点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实施例一中原始钛材料表面的金相结构图；

图3为实施例一中含氧钛材料表面的金相结构图；

图4为实施例一中含氧钛材料截面的金相结构图；

图5为实施例一中β钛合金材料表面的xrd对比图；

图6为实施例一中β钛合金材料截面的硬度测试对比图；

图7为实施例一中β钛合金材料耐磨试验后3d激光形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料包括金属β钛基体以及固溶于金属β钛基体中并呈梯度分布的氧原子。

金属钛基体的材质为β钛基合金或者含钛元素大于50at.％的钛合金材料。

固溶于金属钛基体中氧原子的含量大于等0小于等于5at.％。

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料的制备方法包括以下步骤：

1)对金属β钛基体进行预处理；

2)将金属β钛基体置于管式炉中，并通入惰性气体，调节惰性气体的流量与管式炉内的真空度，再升温加热至预设温度，然后再向管式炉中另外通入一路氧气与惰性气体形成的混合气体，并保持管式炉内的真空度不变，再进行保温，其中，所述预设温度高于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度，且所述预设温度低于金属β钛基体的再结晶温度；

3)将管式炉内的金属β钛基体进行淬火处理，再进行冷却，其中，冷却的截止温度低于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度；

4)去除金属β钛基体表层的氧化层，得具有优良力学性能的β钛合金材料。

步骤1)的具体操作为：金属β钛基体表面进行超声波清洗，以去除金属β钛基体表面附着的污物，再进行烘干处理。

步骤2)中升温加热的升温速度为5℃/min～10℃/min，升温加热的最高温度为600℃～1400℃，通入的惰性气体流量为1.0×10⁰sccm～1.0×10⁵sccm，升温加热过程中管式炉内的真空度为1.0×10⁰pa～1.0×10³pa。

步骤2)中混合气体中氧气的体积百分数为0.01％～99.99％，保温温度为600℃～1400℃，保温时间为10min～300min。

步骤3)中，冷却过程中冷却速率大于临界冷却速度。

步骤4)中采用机械打磨工艺、机械抛光工艺、电化学抛光工艺或酸洗工艺去除金属β钛基体表层的氧化层。

实施例一

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料包括金属β钛基体以及固溶于金属β钛基体中并呈梯度分布的氧原子。

金属钛基体的材质为β钛基合金或者含钛元素大于50at.％的钛合金材料。

固溶于金属钛基体中氧原子的含量大于0且小于等于5at.％。

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料的制备方法包括以下步骤：

1)对金属β钛基体进行预处理，金属β钛基体的厚度为2.2mm，金属β钛基体为β钛合金ti-1300材料；

2)将金属β钛基体置于管式炉中，并通入惰性气体，调节惰性气体的流量与管式炉内的真空度，再升温加热至预设温度，然后再向管式炉中另外通入一路氧气与惰性气体形成的混合气体，并保持管式炉内的真空度不变，再进行保温，其中，所述预设温度高于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度，且所述预设温度低于金属β钛基体的再结晶温度；

3)将管式炉内的金属β钛基体进行淬火处理，再进行冷却，其中，冷却的截止温度低于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度；

4)去除金属β钛基体表层的氧化层，得具有优良力学性能的β钛合金材料。

步骤1)的具体操作为：金属β钛基体表面进行超声波清洗，以去除金属β钛基体表面附着的污物，再进行烘干处理。

步骤2)中升温加热的升温速度为10℃/min，升温加热的最高温度为1000℃，通入的惰性气体流量为1000sccm，升温加热过程中管式炉内的真空度为400pa。

步骤2)中混合气体中氧气的体积百分数为0.01％～99.99％，保温温度为1000℃，保温时间为240min。

步骤3)中，冷却过程中冷却速率大于临界冷却速度。

步骤4)中采用机械打磨工艺去除金属β钛基体表层的氧化层。

参考图2，原始钛合金ti-1300金相结构为干净的等轴晶粒，显示无氧化相的生成；参考图3及图4，在经过上述步骤处理后得到的含氧钛合金，表面至内部一定深度有板条相析出。参考图5，xrd的测试结果显示经本发明处理后此时仍仅出现金属钛的晶格结构(密排六方α与体心立方β)，显示该板条相为α相，说明制备后的样品仍保持钛合金的晶体结构，不存在任何析出相以及氧化物结构，上述证实氧原子已固溶进入金属钛晶格中。

参考图6，将本发明制备的含氧钛合金沿厚度方向进行线切割切开，对获得的截面从表面向芯部进行维氏硬度测试，并与初始钛合金样品的硬度进行对比。经上述充氧处理后的金属钛合金ti-1300在距离表面0.8mm范围内硬度有了显著的增加，硬度从表面向芯部逐渐递减，该结果显示经上述步骤处理后氧原子在钛合金ti-1300材料内部呈梯度分布，靠近表面硬度为1045hv，说明固溶在金属钛基体的氧原子强化效果异常明显，显著高于未经充氧处理的初始ti-1300合金的硬度值283hv，表面硬度较初始钛合金样品增加倍数超过4倍。

参见表1，将承载3n的样品置于转速为60r·min^-1的转盘上，以4mm·r^-1的速度由圆心向圆周匀速滑动。随后记录了三次磨损前后质量减小值，并取平均值，单位滑动距离每单位面积的磨损失重作为磨损率。通过3d激光形貌获得最终磨损试验后表面粗糙度。表1结果显示，充氧后钛合金磨损失重减小至原来的1/4，磨损率下降到原来的1/3，粗糙度降低40％，证明经上述充氧处理的样品耐磨性得到显著提高。

表1

参考图7，在200μm×285μm的区域观察耐磨试验后的3d激光形貌。磨损的表面具有平行的犁沟特征，揭示了典型的微切磨损机制。上述磨损形态可归因于sic磨料和材料之间的硬度差。sic磨料(ha≈2600hv)被认为是硬磨料，渗入并将两相区中内含氧的硬质α相铲除。图7显示经磨损试验后，含氧钛样品对比原始钛样品，沟槽深度变浅，宽度变窄。犁沟分层的程度显着降低。图7中3d激光形貌的变化趋势也可以与表1磨损失重和磨损率相互佐证，证明经本发明处理充氧后的样品可以提高耐磨性。

实施例二

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料包括金属β钛基体以及固溶于金属β钛基体中并呈梯度分布的氧原子。

金属钛基体的材质为β钛基合金。

固溶于金属钛基体中氧原子的含量为0.5at.％。

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料的制备方法包括以下步骤：

1)对金属β钛基体进行预处理；

2)将金属β钛基体置于管式炉中，并通入惰性气体，调节惰性气体的流量与管式炉内的真空度，再升温加热至预设温度，然后再向管式炉中另外通入一路氧气与惰性气体形成的混合气体，并保持管式炉内的真空度不变，再进行保温，其中，所述预设温度高于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度，且所述预设温度低于金属β钛基体的再结晶温度；

3)将管式炉内的金属β钛基体进行淬火处理，再进行冷却，其中，冷却的截止温度低于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度；

4)去除金属β钛基体表层的氧化层，得具有优良力学性能的β钛合金材料。

步骤1)的具体操作为：金属β钛基体表面进行超声波清洗，以去除金属β钛基体表面附着的污物，再进行烘干处理。

步骤2)中升温加热的升温速度为5℃/min，升温加热的最高温度为600℃，通入的惰性气体流量为1.0×10⁰sccm，升温加热过程中管式炉内的真空度为1.0×10⁰pa。

步骤2)中混合气体中氧气的体积百分数为0.01％，保温温度为600℃，保温时间为10min。

步骤3)中，冷却过程中冷却速率大于临界冷却速度。

步骤4)中采用机械打磨工艺、机械抛光工艺、电化学抛光工艺或酸洗工艺去除金属β钛基体表层的氧化层。

实施例三

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料包括金属β钛基体以及固溶于金属β钛基体中并呈梯度分布的氧原子。

金属钛基体的材质为β钛基合金或者含钛元素大于50at.％的钛合金材料。

固溶于金属钛基体中氧原子的含量为5at.％。

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料的制备方法包括以下步骤：

1)对金属β钛基体进行预处理；

2)将金属β钛基体置于管式炉中，并通入惰性气体，调节惰性气体的流量与管式炉内的真空度，再升温加热至预设温度，然后再向管式炉中另外通入一路氧气与惰性气体形成的混合气体，并保持管式炉内的真空度不变，再进行保温，其中，所述预设温度高于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度，且所述预设温度低于金属β钛基体的再结晶温度；

3)将管式炉内的金属β钛基体进行淬火处理，再进行冷却，其中，冷却的截止温度低于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度；

4)去除金属β钛基体表层的氧化层，得具有优良力学性能的β钛合金材料。

步骤1)的具体操作为：金属β钛基体表面进行超声波清洗，以去除金属β钛基体表面附着的污物，再进行烘干处理。

步骤2)中升温加热的升温速度为10℃/min，升温加热的最高温度为1400℃，通入的惰性气体流量为1.0×10⁵sccm，升温加热过程中管式炉内的真空度为1.0×10³pa。

步骤2)中混合气体中氧气的体积百分数为0.01％～99.99％，保温温度为1400℃，保温时间为300min。

步骤3)中，冷却过程中冷却速率大于临界冷却速度。

步骤4)中采用电化学抛光工艺去除金属β钛基体表层的氧化层。

实施例四

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料包括金属β钛基体以及固溶于金属β钛基体中并呈梯度分布的氧原子。

金属钛基体的材质为含钛元素大于50at.％的钛合金材料。

固溶于金属钛基体中氧原子的含量为3at.％。

本发明所述的具有优良力学性能的β钛合金材料的制备方法包括以下步骤：

1)对金属β钛基体进行预处理；

2)将金属β钛基体置于管式炉中，并通入惰性气体，调节惰性气体的流量与管式炉内的真空度，再升温加热至预设温度，然后再向管式炉中另外通入一路氧气与惰性气体形成的混合气体，并保持管式炉内的真空度不变，再进行保温，其中，所述预设温度高于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度，且所述预设温度低于金属β钛基体的再结晶温度；

3)将管式炉内的金属β钛基体进行淬火处理，再进行冷却，其中，冷却的截止温度低于金属β钛基体表层致密氧化层的破坏温度；

4)去除金属β钛基体表层的氧化层，得具有优良力学性能的β钛合金材料。

步骤1)的具体操作为：金属β钛基体表面进行超声波清洗，以去除金属β钛基体表面附着的污物，再进行烘干处理。

步骤2)中升温加热的升温速度为8℃/min，升温加热的最高温度为800℃，通入的惰性气体流量为1.0×10²sccm，升温加热过程中管式炉内的真空度为1.0×10²pa。

步骤2)中混合气体中氧气的体积百分数为50％，保温温度为800℃，保温时间为100min。

步骤3)中，冷却过程中冷却速率大于临界冷却速度。

步骤4)中采用机械抛光工艺去除金属β钛基体表层的氧化层。