一種高均勻β型鈦合金棒材的加工方法與流程

2023-11-09 06:08:57

本發明屬於鈦合金材料加工技術領域，具體涉及一種高均勻β型鈦合金棒材的加工方法。

背景技術：

ti6al4v和純鈦等鈦及鈦合金由於具有低的彈性模量、合適的強度，優越的抗疲勞性能和生物相容性等特點，被作為生物醫用材料廣泛使用。隨著醫療水平的提高，彈性模量為110gpa鈦合金因為「應力屏蔽」等原因，已不能滿足骨替換產品的更高要求，而低彈性模量的ti-nb-ta-zr等β型鈦合金棒材被快速開發。但ti-nb-ta-zr系列鈦合金因含有大量的nb、ta、zr等稀有貴金屬，且熔煉困難，未能規模開展應用。ti-mo系合金最低彈性模量約為50gpa，是理想的植入材料。傳統工藝認為，此類合金需要在β相區加工，但變形量不夠時，得到的組織不均勻。因此，開發彈性模量低，成分、組織均勻的ti-15mo鈦合金棒材產品對我國醫用合金材料的發展有極大的推進作用。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種高均勻β型鈦合金棒材的加工方法，解決了現有方法難以穩定生產出組織細小、性能穩定的β型鈦合金的問題。

本發明所採用的技術方案是：一種高均勻β型鈦合金棒材的加工方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1，中間坯精鍛：

選取縱、橫向組織均勻的ti15mo鈦合金鍛坯，大氣氣氛下，在β轉變溫度以下加熱，充分保溫，採用一火次多道次加工，鍛造為軋制坯料；

步驟2，棒坯軋制：

將步驟1得到的軋制坯料，大氣氣氛下，在β轉變溫度以下加熱，充分保溫，採用一火次多道次熱軋軋制至成品棒坯；

步驟3，棒材精整：

將步驟2軋制後的棒材，經矯直磨削加工至成品尺寸，即得到組織均勻的ti15mo鈦合金棒材。

本發明的特點還在於，

步驟1中加熱溫度為β轉變溫度以下50℃～80℃，保溫時間至少為70min。

步驟1中道次變形量為15％～30％，累積變形量為40％～72％。

步驟1鍛造後對坯料進行水冷。

步驟2中加熱溫度為β轉變溫度以下80℃～110℃，至少保溫60min。

步驟2中道次變形量為18％～35％，累積變形量為85％～96％。

步驟2軋制後對棒坯進行空冷。

步驟3中矯直溫度為β轉變溫度以下30℃～50℃。

本發明的有益效果是，一種高均勻β型鈦合金棒材的加工方法，通過連續在相變點下鍛造和軋制，控制單火次大變形，來改善棒材的組織均勻性。採用本發明方法製備得到ti15mo鈦合金棒材，比常規工藝得到的橫向組織均勻，並且晶粒細小，滿足生物醫療棒材無毒性、低彈性模量的要求。

附圖說明

圖1是本發明製備得到的ti15mo鈦合金棒材的橫向組織低倍圖；

圖2是本發明製備得到的ti15mo鈦合金棒材的橫向組織高倍圖；

圖3是傳統β相區加工製備得到的ti15mo鈦合金棒材的橫向組織低倍圖；

圖4是傳統β相區加工製備得到的ti15mo鈦合金棒材的橫向組織高倍圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明一種高均勻β型鈦合金棒材的加工方法，具體包括以下步驟：

步驟1，選取規格為φ85～φ95mm，縱、橫向組織均勻的ti15mo鈦合金鍛坯，置於電阻爐中在β轉變溫度以下50℃～80℃加熱，爐內保溫時間大於70min，採用1火次多道次鍛造，道次變形量為15％～30％，累積變形量為40％～72％，鍛後水冷。

步驟2，將經步驟1精鍛得到的棒坯在電阻爐中加熱，加熱溫度選擇在β轉變溫度以下80℃～110℃，至少保溫60min。在橫列式軋機上採用1火次多道次熱軋，軋制道次變形量為18％～35％，累積變形量為85％～96％，軋後空冷；軋制棒坯在β轉變溫度以下30℃～50℃加熱、矯直，磨光後即得到成品棒材。

β型鈦合金棒材常規工藝認為，在β轉變溫度以上加工，棒坯塑性良好，變形抗力小，有利於加工成形，但在熱加工過程中，坯料會快速失溫，導致材料部分變形是在β轉變溫度以下完成的，這會使材料組織不均勻。

本發明通過對ti15mo鈦合金鍛坯連續在相變點下鍛造和軋制，並控制單火次大變形，改善了棒材的組織均勻性。採用本發明方法製備得到ti15mo鈦合金棒材，比常規工藝得到的橫向組織均勻，並且晶粒細小，滿足生物醫療棒材無毒性、低彈性模量的要求。

圖1是採用本發明方法製備得到的ti15mo鈦合金棒材的橫向組織低倍圖，從圖中可以看出棒材整個橫截面的低倍組織均為均勻模糊晶，無晶界和尺寸差異。圖2是採用本發明方法製備得到的ti15mo鈦合金棒材的橫向組織高倍圖，從圖中可以看出棒材的橫向組織細小均勻，α+β相彌散分布。圖3、圖4分別是傳統工藝在β轉變溫度以上加工得到的棒材的低、高倍組織圖。在β轉變溫度以上加熱，加工過程中，材料不斷失溫，部分變形在β相區完成，部分變形是在β轉變溫度下完成，會導致棒材組織不均勻。與圖1、圖2之相比，圖3、圖4均勻性明顯較差。

實施例1

選取規格為φ85mm，縱、橫向組織均勻的ti15mo鈦合金鍛坯，實測β轉變溫度為750℃。鍛坯置於電阻爐中在670℃下加熱，爐內保溫時間為70min，採用1火次多道次鍛造至φ65mm(累積變形量為40％)，道次變形量為15％～24％，鍛後馬上浸入流水中冷卻。冷卻至室溫的鍛坯在電阻爐中加熱，加熱溫度為640℃，保溫80min。採用1火次多道次熱軋至φ25mm(累積變形量為85％)，道次變形量為18％～32％，軋後空冷，軋制棒坯在720℃加熱、矯直，磨光後即得到成品棒材。

實施例2

選取規格為φ95mm，縱、橫向組織均勻的ti15mo鈦合金鍛坯，實測β轉變溫度為755℃。鍛坯置於電阻爐中在β轉變溫度以下690℃加熱，爐內保溫時間為100min，採用1火次多道次鍛造至φ50mm(累積變形量為72％)，道次變形量為19％～30％，鍛後馬上浸入流水中冷卻。冷卻至室溫的鍛坯在電阻爐中加熱，加熱溫度為660℃，保溫60min。採用1火次多道次熱軋至φ9.5mm(累積變形量為96％)，軋制道次變形量為20％～35％，軋後空冷，軋制棒坯在720℃下加熱、矯直，磨光後即得到成品棒材。

實施例3

選取規格為φ85mm，縱、橫向組織均勻的ti15mo鈦合金鍛坯，實測β轉變溫度為750℃。鍛坯置於電阻爐中在在β轉變溫度以下700℃加熱，爐內保溫時間為80min，採用1火次多道次鍛造至φ52mm(累積變形量為66％)，道次變形量為17％～29％，鍛後馬上浸入流水中冷卻。冷卻至室溫的鍛坯在電阻爐中加熱，加熱溫度為670℃，保溫70min。採用1火次多道次熱軋至φ18mm(累積變形量為88％)，道次變形量為20％～34％，軋後空冷，軋制棒坯在700℃下加熱、矯直，磨光後即得到成品棒材。