專利名稱：一種快速燒結(jié)制備Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種快速燒結(jié)制備Ti-MNb-4&-7. 9Sn 合金的方法。
背景技術(shù)：
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(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于汽車、生物工程和航空航天等領(lǐng)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(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也難于切削，成為大量生產(chǎn)復(fù)雜形狀零件的障礙，因而用粉末冶金法生產(chǎn)鈦部件備受注目。鈦無毒、質(zhì)輕、強度高且具有優(yōu)良的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，可用作植入人體的植入物等。目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(yīng)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(shù)。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(fā)出一系列具有優(yōu)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(yōu)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(lǐng)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(jié)制備了 SP-700鈦合金，Ti-15Mo-3Nb是美國TIMET公司在Ti-15Mo-3Nb_3Al基礎(chǔ)上發(fā)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(wěn)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(xué)國家(聯(lián)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(huán)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(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱點之一。放電等離子燒結(jié)(spark plasma sintering, SPS)是近年來發(fā)展起來的一種新型的快速燒結(jié)技術(shù)，也稱等離子活化燒結(jié)(plasma activated sintering，PAS)。傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)主要是由模具熱輻射和加壓造成的塑性變形這兩個因素促進燒結(jié)過程的進行，而SPS 過程除上述作用外，在壓實顆粒樣品上施加了由特殊電源產(chǎn)生的直流脈沖電流，并有效地利用了在粉體顆粒間放電所產(chǎn)生的自身發(fā)熱作用，具有不同于傳統(tǒng)燒結(jié)方法的特點，主要有
1)致密度高、表面活化作用在SPS過程中晶粒表面容易活化，通過表面擴散的物質(zhì)傳遞也得到了促進。晶粒受脈沖電流加熱和垂直單向壓力的作用，體擴散和晶界擴散都得到加強，加速了致密化的進程。在SPS過程中，由于粉體內(nèi)部自發(fā)熱作用，極大地抑制了晶粒長大的效果，當(dāng)在晶粒的孔隙處放電時，會產(chǎn)生高達幾千度至一萬度的局部高溫，在晶粒表面引起蒸發(fā)和熔化，并在晶粒接觸點形成頸部，促進材料的燒結(jié)；又由于局部發(fā)熱，因此所形成的頸部快速冷卻，使頸部的蒸氣壓降低，引起物質(zhì)的蒸發(fā)-凝固傳遞，促進了材料的致密化。2)節(jié)約能源在SPS過程中，放電點(局部高溫源)可在壓實顆粒間移動而布滿整個樣品，這樣就使樣品均勻地發(fā)熱并節(jié)約了能源，因此能將高能脈沖集中在晶粒結(jié)合處是 SPS過程不同于其它燒結(jié)過程的一個主要特點。3)另外，通過綜合利用通-斷電控制直流脈沖通電初期的火花放電造成的局部高溫場、放電沖擊壓、表面凈化作用、焦耳加熱以及電場擴散效果等而實現(xiàn)的直接加熱方式，由于熱效率高、放電點分散加熱均勻故容易得到高質(zhì)量的均質(zhì)燒結(jié)體。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有Ti-Nb-Zr-Sn合金方法存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種快速燒結(jié)制備Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金的方法，本發(fā)明所提供的制備方法燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、 節(jié)能環(huán)保、所得產(chǎn)物致密度高、晶粒尺寸較細小均勻，雜質(zhì)少。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下將TiH2、Nb、Zr、Sn粉體按質(zhì)量比配比裝入石墨模具中，再置入放電等離子燒結(jié)爐中，在真空條件下以100°c /min的升溫速度升溫至650°C，并在該溫度下保溫5min，再以100°C /min升溫至燒結(jié)溫度1150°C 1350°C，在燒結(jié)溫度下保溫IOmin后隨爐冷卻得到Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金，其中燒結(jié)壓力為10 80MPa，真空條件下真空度為10_2Pa。進一步的，燒結(jié)壓力為lOMpa，燒結(jié)溫度為1150°C。進一步的，燒結(jié)壓力為40Mpa，燒結(jié)溫度為1200°C。進一步的，燒結(jié)壓力為50Mpa，燒結(jié)溫度為1250°C。進一步的，燒結(jié)壓力為50Mpa，燒結(jié)溫度為1300°C。進一步的，燒結(jié)壓力為80Mpa，燒結(jié)溫度為1350°C。本發(fā)明的有益效果在于
1.與常規(guī)模壓燒結(jié)和熔滲法比較，采用放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)致密化時間顯著減少，燒結(jié)溫度也顯著降低。2.放電等離子燒結(jié)制備的燒結(jié)樣品致密度最高可達99. 7%，晶粒尺寸約為45 μ m， 微觀結(jié)構(gòu)良好，孔隙很少。
具體實施例方式實施例1
1)將TiH2, Nb，Zr，Sn粉體按質(zhì)量比配比并在石墨模具中壓實后，在放電等離子燒結(jié)裝置中燒結(jié)成Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金，燒結(jié)工藝為真空條件下，真空度為10_2Pa，以 IOO0C /min的速度升溫至650°C，燒結(jié)壓力lOMpa，在該溫度下保溫5min，再以100°C /min 的速度升溫至所需燒結(jié)溫度1150°C，在該溫度下保溫10 min后隨爐冷卻，得到致密度為 97. 5%，鉬晶粒平均尺寸為43 μ m的Ti-MNb_4&-7. 9Sn合金。實施例2
1)將TiH2, Nb，Zr，Sn粉體按質(zhì)量比配比并在石墨模具中壓實后，在放電等離子燒結(jié)裝置中燒結(jié)成Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金，燒結(jié)工藝為真空條件下，真空度為10_2Pa，以 IOO0C /min的速度升溫至650°C，燒結(jié)壓力40Mpa，在該溫度下保溫5min，再以100°C /min 的速度升溫至所需燒結(jié)溫度1200°C，在該溫度下保溫10 min后隨爐冷卻，得到致密度為98. 4%,鉬晶粒平均尺寸為44 μ m的Ti-MNb_4&-7. 9Sn合金。實施例3
1)將TiH2, Nb, Zr, Sn粉體按質(zhì)量比配比并在石墨模具中壓實后，在放電等離子燒結(jié)裝置中燒結(jié)成Ti-24Nb-4&-7. 9Sn合金，燒結(jié)工藝為真空條件下，真空度為10_2Pa，以100 / min的速度升溫至650°C，燒結(jié)壓力50Mpa，在該溫度下保溫5min，再以100°C/min的速度升溫至所需燒結(jié)溫度1250°C，在該溫度下保溫10 min后隨爐冷卻，得到致密度為99. 4%，鉬晶粒平均尺寸為45 μ m的Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金。實施例4
1)將TiH2, Nb，Zr，Sn粉體按質(zhì)量比配比并在石墨模具中壓實后，在放電等離子燒結(jié)裝置中燒結(jié)成Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金，燒結(jié)工藝為真空條件下，真空度為10_2Pa，以 IOO0C /min的速度升溫至650°C，燒結(jié)壓力50Mpa，在該溫度下保溫5min，再以100°C /min 的速度升溫至所需燒結(jié)溫度1300°C，在該溫度下保溫10 min后隨爐冷卻，得到致密度為 95. 5%，鉬晶粒平均尺寸為46 μ m的Ti-MNb_4&-7. 9Sn合金。實施例5
1)將TiH2, Nb, Zr, Sn粉體按質(zhì)量比配比并在石墨模具中壓實后，在放電等離子燒結(jié)裝置中燒結(jié)成Ti-24Nb-4&-7. 9Sn合金，燒結(jié)工藝為真空條件下，真空度為10’a以100°C / min的速度升溫至650°C，燒結(jié)壓力80Mpa，在該溫度下保溫5min，再以100°C/min的速度升溫至所需燒結(jié)溫度1350°C，在該溫度下保溫10 min后隨爐冷卻，得到致密度為99. 7%，鉬晶粒平均尺寸為47 μ m的Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金。實施例中制備的Ti-MNb-4&_7. 9Sn合金的各項條件如表1所示，結(jié)果顯示在燒結(jié)溫度為1250°C，燒結(jié)壓力50Mpa下，能夠制備幾乎全致密Ti-MNb_4&-7. 9Sn合金，綜合性能為所有實施例中最佳。表 權(quán)利要求
1.一種快速燒結(jié)制備Ti-MNb-4&-7. 9Sn合金的方法，其步驟包括將TiH2、Nb、Zr、 Sn粉體按質(zhì)量比配比裝入石墨模具中，再置入放電等離子燒結(jié)爐中，在真空條件下先以 IOO0C /min的升溫速度升溫至650°C溫度，并在該溫度下保溫5min，再以100°C /min升溫至燒結(jié)溫度1150°C 1350°C，在燒結(jié)溫度下保溫IOmin后隨爐冷卻得到Ti-MNb_4&-7. 9Sn 合金，其中燒結(jié)壓力為10 80MPa，真空條件下真空度為10_2Pa。
2.如權(quán)利要求1所述的快速燒結(jié)制備Ti-MNb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述燒結(jié)壓力為lOMpa，燒結(jié)溫度為1150°C。
3.如權(quán)利要求1所述的快速燒結(jié)制備Ti-MNb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述燒結(jié)壓力為40Mpa，燒結(jié)溫度為1200°C。
4.如權(quán)利要求1所述的快速燒結(jié)制備Ti-24Nb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述燒結(jié)壓力為50Mpa，燒結(jié)溫度為1250°C。
5.如權(quán)利要求1所述的快速燒結(jié)制備Ti-MNb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述燒結(jié)壓力為50Mpa，燒結(jié)溫度為1300°C。
6.如權(quán)利要求1所述的快速燒結(jié)制備Ti-MNb-4&-7.9Sn合金的方法，其特征在于 所述燒結(jié)壓力為80Mpa，燒結(jié)溫度為1350°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種快速燒結(jié)制備Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金的方法，其步驟如下將TiH2、Nb、Zr、Sn粉體按質(zhì)量比配比裝入石墨模具中，再置入放電等離子燒結(jié)爐中，在真空條件下先以100℃/min升溫速度升溫至650℃，并在該溫度下保溫5min，再以100℃/min升溫至燒結(jié)溫度1150℃～1350℃，在燒結(jié)溫度下保溫10min后隨爐冷卻得到合金，其中燒結(jié)壓力為10～80MPa，真空條件下真空度為10-2Pa。本發(fā)明所提供的制備方法燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、節(jié)能環(huán)保、所得產(chǎn)物致密度高、晶粒尺寸較細小均勻，雜質(zhì)少，抗拉強度高，硬度大等，具有節(jié)能環(huán)保，操作簡單，可重復(fù)性強等優(yōu)點。
文檔編號B22F3/105GK102392150SQ201110344058
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)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(xué)