專利名稱：一種粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法
技術領域：
本發明屬于粉末冶金技術領域，特別涉及一種粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法。
背景技術：
鈦及其鈦合金具有低密度、高比強度、良好的高溫強度、卓越的耐腐蝕性等優異性能，廣泛應用于汽車、生物工程和航空航天等領域。但是，鈦及其合金的機加工性能差，硬度大于HB350時切削加工特別困難，小于HB300時則容易出現粘刀現象，也難于切削，成為大量生產復雜形狀零件的障礙，因而用粉末冶金法生產鈦部件備受注目。鈦無毒、質輕、強度高且具有優良的生物相容性，是非常理想的醫用金屬材料，可用作植入人體的植入物等。目前，在醫學領域中廣泛使用的仍是Ti-6A1-4V ELI合金，但會析出極微量的釩和鋁離子，降低了其細胞適應性且有可能對人體造成危害。美國早在20世紀80年代中期便開始研制無鋁、無釩、具有生物相容性的鈦合金，將其用于矯形術。日本、 英國等也在該方面做了大量的研究工作，并取得一些新的進展。例如，日本已開發出一系列具有優良生物相容性的α+β鈦合金，這些合金的腐蝕強度、疲勞強度和抗腐蝕性能均優于Ti-6A1-4V ELI。與α+β鈦合金相比，β鈦合金具有更高的強度水平，以及更好的切口性能和韌性，更適于作為植入物植入人體。β型鈦合金是近年來鈦合金重點研究領域，日本TKK公司采用Ti粉與 39A1-26V-17. 5Fe-17. 5Mo中間合金粉，通過混料、模壓以及真空燒結制備了 SP-700鈦合金，Ti-15Mo-3Nb是美國TIMET公司在Ti-15Mo-3Nb_3Al基礎上發展的一種新型低彈性模量、高強度和具有更好抗腐蝕性能的一種亞穩定β型生物鈦合金，Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金是一類特殊的β型鈦合金，中科院金屬所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室工程合金研究部楊銳、郝玉琳等專家采用熔鑄法研制成功并已在臨床試用，此方法對實驗材料，實驗環境等要求比較高，而采用粉末冶金法制備Ti-24Nb-4&-7. 9Sn合金因其制備工藝簡單，成本低，近年來已成為鈦基復合材料研究領域的熱點之一。粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經過成形和燒結，制造金屬材料、復合以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金法與生產陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技術也可用于陶瓷材料的制備。粉末冶金新技術不同于傳統燒結方法的特點
(1)粉末冶金技術可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。 在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發光材料、稀土催化劑、高溫超導材料、新型金屬材料(如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結構材料等)具有重要的作用。
(2)可以制備非晶、微晶、準晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優異的電學、磁學、光學和力學性能。(3)可以容易地實現多種類型的復合，充分發揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產高性能金屬基和陶瓷復合材料的工藝技術。(4)可以生產普通熔煉法無法生產的具有特殊結構和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結構陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。(5)可以實現近凈形成形和自動化批量生產，從而，可以有效地降低生產的資源和能源消耗。由于粉末冶金技術的優點，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發展中起著舉足輕重的作用。但現有的粉末冶金技術還存在著燒結溫度較高，燒結時間較長，所制得的Ti-Nb-Zr-Sn合金雜質較多，在微觀觀察下晶粒尺寸不均勻，且空隙較多等缺陷。

發明內容
為解決現有Ti-Nb-Zr-Sn合金制備方法存在的上述技術問題，本發明提供一種粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法，本發明所提供的制備方法具有燒結溫度低、燒結時間短的優點，所得產物致密度高、晶粒尺寸較細小均勻，雜質少。本發明解決上述技術問題的技術方案包括以下步驟a.將TH2粉、Nb粉、Zr粉及Sn粉按質量比TiH2 =Nb =Zr :Sn=66. 1 :24 :4 :7. 9配置；b.將配置好的粉末干混5小時； c.將干混后的粉末在萬能材料試驗機中壓制成形，其中壓制壓力為350 Mpa，保壓時間為 7 8 s;d.將壓制成形的試樣在真空燒結爐中燒結。上述步驟d中的燒結工藝步驟為首先以升溫時間60min、真空燒結爐功率為30KW 功率的速度升溫至300°C，在該溫度下保溫30min，再以升溫時間90min、真空燒結爐功率為 50KW功率的速度升溫至750°C，在該溫度下保溫20min，然后以升溫時間20min、真空燒結爐功率為60KW功率的速度升溫至1000°C，在該溫度下保溫20min，最后以升溫時間30min、真空燒結爐功率為70KW功率的速度升溫至燒結溫度，在該溫度下保溫1-4小時后隨爐冷卻。進一步來說，上述步驟d中的燒結工藝步驟中，最后以升溫時間30min、真空燒結爐功率為70KW功率的速度升溫至燒結溫度為1150°C _1350°C，在該溫度下保溫1_4小時后隨爐冷卻。本發明的技術效果在于
1)與普通熔煉法比較，采用粉末冶金法制備能生產的具有特殊結構和性能的材料和制品，且燒結致密化時間顯著減少，燒結溫度也顯著降低。2)粉末冶金法制備制備的Ti-Nb-Zr-Sn合金致密度最高可達97. 7%，晶粒尺寸約為48 μ m，微觀結構良好，孔隙很少，合金具備拉伸強度高，硬度大的優點。


圖1為實施例1所制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的斷口形貌。圖2為實施例2所制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的斷口形貌。圖3為實施例3所制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的斷口形貌。圖4為實施例4所制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的斷口形貌。圖5為實施例5所制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的斷口形貌。圖6為實施例5所制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的斷口形貌。圖7為實施例5所制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的斷口形貌。
圖8為實施例5所制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的斷口形貌。
具體實施例方式下面借由實施例對本發明進行進一步的說明，但本發明不僅限于以下實施例，不能以此限定本發明的范圍。實施例1
將TiH2粉、Nb粉、Zr粉及Sn粉按質量比TiH2 =Nb =Zr :Sn=66. 1 :24 4 :7. 9配置，將配置好的粉末在四罐混料器內干混5小時，采用萬能材料試驗機，壓制壓力350 Mpa下，保壓 7 8 s，將試樣在真空鉬絲爐中燒結。燒結工藝為首先以升溫時間60min、真空鉬絲爐功率為30KW功率的速度升溫至300°C，在該溫度下保溫30min，再以升溫時間90min、真空鉬絲爐功率為50KW功率的速度升溫至750°C，在該溫度下保溫20min，然后以升溫時間20min、真空鉬絲爐功率為60KW功率的速度升溫至1000°C，在該溫度下保溫20min，最后以升溫時間 30min、真空鉬絲爐功率為70KW功率的速度升溫至燒結溫度1150°C，在該溫度下保溫濁后隨爐冷卻，得到致密度為93. 5%，晶粒平均尺寸為45 μ m的Ti-Nb-Zr-Sn合金。由圖1可看出，制備的Ti-Nb-Zr-Sn合金的斷口呈顆粒狀，且孔隙較多，有韌窩。實施例2
本實施例與實施例1的不同處僅在于，燒結工藝步驟中最后以升溫時間為30min、真空鉬絲爐功率為70KW功率的速度升溫至燒結溫度1200°C，在該溫度下保溫池后隨爐冷卻， 得到致密度為95. 7%，晶粒平均尺寸為47 μ m的Ti-Nb-Zr-Sn合金。由圖2可看出，制備的 Ti-Nb-Zr-Sn斷口呈顆粒狀，有少量孔隙，有韌窩。實施例3
本實施例與實施例1的不同處僅在于，燒結工藝步驟中最后以升溫時間為30min、真空鉬絲爐功率為70KW功率的速度升溫至燒結溫度1250°C，在該溫度下保溫池后隨爐冷卻， 得到致密度為97. 2%，晶粒平均尺寸為50 μ m的Ti-Nb-Zr-Sn合金。由圖3可看出，制備的 Ti-Nb-Zr-Sn合金斷口呈顆粒狀，有少量孔隙，有大量韌窩存在。實施例4
本實施例與實施例1的不同處僅在于，燒結工藝步驟中最后以升溫時間為30min、真空鉬絲爐功率為70KW功率的速度升溫至燒結溫度1300°C，在該溫度下保溫池后隨爐冷卻， 得到致密度為97. 5%，晶粒平均尺寸為55 μ m的Ti-Nb-Zr-Sn合金。由圖4可看出，制備的 Ti-Nb-Zr-Sn合金斷口呈顆粒狀，有少量孔隙，有大量韌窩存在。實施例5
本實施例與實施例1的不同處僅在于，燒結工藝步驟中最后以升溫時間為30min、真空鉬絲爐功率為70KW功率的速度升溫至燒結溫度1350°C，在該溫度下保溫池后隨爐冷卻， 得到致密度為97. 7%，晶粒平均尺寸為60 μ m的Ti-Nb-Zr-Sn合金。由圖5可看出，制備的 Ti-Nb-Zr-Sn合金斷口呈顆粒狀，有少量孔隙，有韌窩存在，晶粒有些許長大。實施例6
本實施例與實施例1的不同處僅在于，燒結工藝步驟中最后以升溫時間為30min、真空鉬絲爐功率為70KW功率的速度升溫至1250°C，在該溫度下保溫Ih后隨爐冷卻，得到致密度為97. 7%，晶粒平均尺寸為47 μ m的Ti-Nb-Zr-Sn合金。由圖6可看出，制備的Ti-Nb-Zr-Sn合金斷口呈顆粒狀，有少量孔隙，有韌窩存在。實施例7
本實施例與實施例1的不同處僅在于，燒結工藝步驟中最后以升溫時間為30min、真空鉬絲爐功率為70KW功率的速度升溫至1250°C，在該溫度下保溫池后隨爐冷卻，得到致密度為97. 7%，晶粒平均尺寸為52 μ m的Ti-Nb-Zr-Sn合金。由圖7可看出，制備的Ti-Nb-Zr-Sn 合金斷口呈顆粒狀，有少量孔隙，有韌窩存在。實施例8
本實施例與實施例1的不同處僅在于，燒結工藝步驟中最后以升溫時間為30min、真空鉬絲爐功率為70KW功率的速度升溫至1250°C，在該溫度下保溫4h后隨爐冷卻，得到致密度為97. 7%，晶粒平均尺寸為56 μ m的Ti-Nb-Zr-Sn合金。由圖8可看出，制備的Ti-Nb-Zr-Sn 合金斷口呈顆粒狀，有少量孔隙，有韌窩存在，晶粒有些許長大。實施例1-8制備的Ti-Nb-Zr-Sn合金相關性能參數如表1所示。表 權利要求
1.一種粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法，包括以下步驟a.將TiH2粉、Nb粉、 Zr粉及Sn粉按質量比TiH2 =Nb =Zr :Sn=66. 1 :24 4 :7. 9配置；b.將配置好的粉末干混5小時；c.將干混后的粉末在萬能材料試驗機中壓制成形，其中壓制壓力為350 Mpa，保壓時間為7 8 s;d.將壓制成形的試樣在真空燒結爐中燒結。
2.根據權利要求1所述的粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法，所述步驟d中燒結工藝步驟為首先以升溫時間60min、真空燒結爐功率為30KW功率的速度升溫至300°C， 在該溫度下保溫30min，再以升溫時間90min、真空燒結爐功率為50KW功率的速度升溫至 750°C，在該溫度下保溫20min，然后以升溫時間20min、真空燒結爐功率為60KW功率的速度升溫至1000°C，在該溫度下保溫20min，最后以升溫時間30min、真空燒結爐功率為70KW功率的速度升溫至燒結溫度，在該溫度下保溫1-4小時后隨爐冷卻。
3.根據權利要求2所述的粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法，所述燒結溫度為 1150°C _1350°C，在該溫度下保溫1-4小時后隨爐冷卻。
4.根據權利要求3所述的粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法，所述燒結溫度下保溫2小時后隨爐冷卻。
5.根據權利要求1所述的粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法，所述步驟d中的真空燒結爐為真空鉬絲爐。
6.根據權利要求1所述的粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法，所述步驟b中將配置好的粉末在四罐混料器內干混。
全文摘要
本發明提供一種粉末冶金法制備Ti-Nb-Zr-Sn合金的方法，屬于粉末冶金技術領域，其包括以下步驟a.將TiH2粉、Nb粉、Zr粉及Sn粉按質量比TiH2NbZrSn=66.12447.9配置；b.將配置好的粉末干混5小時；c.將干混后的粉末在萬能材料試驗機中壓制成形，其中壓制壓力為350Mpa，保壓時間為7～8s；d.將壓制成形的試樣在真空燒結爐中燒結。相對現有技術，本發明所提供的制備方法具有燒結溫度低、燒結時間短、所得產物致密度高、晶粒尺寸較細小均勻，雜質少，拉伸強度高，硬度大等優點。
文檔編號C22C29/00GK102230100SQ20111018278
公開日2011年11月2日 申請日期2011年7月1日 優先權日2011年7月1日
發明者康啟平, 張勇強, 肖勇, 蔡春波, 郭世柏 申請人:湖南科技大學