超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金、制备方法及应用

技术领域

本发明属于低模量高强度钛合金材料制备领域，涉及钛合金强韧化范畴，尤其是生物医学材料等领域应用的低模量高强度材料设计及其制备方法。

背景技术

商业纯钛(C.P.Ti)以及Ti-6Al-4V合金由于轻质、耐腐蚀、极好的生物相容性以及良好的力学性能而被广泛地用于制造人体植入器件。但是，纯钛(弹性模量：103GPa)以及Ti-6Al-4V(弹性模量：110GPa)合金相对于人骨(弹性模量：30GPa)具有较高的弹性模量，在使用过程中会产生所谓的“应力遮蔽效应”。

因此，低模量介稳β-型钛合金，比如Ti-Ta,Ti-Nb-Ta-Zr,Ti-Nb-Mo-Sn等合金系被相继开发出来。然而，β-型钛合金很低的屈服强度一直被人们诟病，为了强化β-型钛合金通常在时效处理时引进高体积分数的稳定α相或者ω相进行相强化，然而，这种α相或者ω相具有比基体β-型钛合金高得多的弹性模量，因此，在强度提高和弹性模量降低方面出现了明显的矛盾。往往以牺牲一方以达到满足另一方的需求。

因此，为了满足植入体的力学性能的要求，开发具有高屈服强度、超低模量的合金，一直是材料学者追求的目标。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金、制备方法及应用，以解决现有钛合金存在的问题。

本发明一方面提供了一种超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金，其特征在于，按照原子百分比，包括如下成分：Ti：47～48％、Zr：18～20％、V：18～20％、Nb：9～10％、Al：4.5～5.5％。

优选，所述的超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金，按照原子百分比，包括如下成分：Ti：47.5％、Zr：19％、V：19％、Nb：9.5％、Al：5％。

本发明还提供了上述超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照上述的成分及其原子百分比配制合金并熔铸成铸锭；

(2)对所述铸锭依次进行固溶处理、冷轧处理和时效热处理，得到超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金。

优选，步骤(2)中，所述固溶处理的温度为1000～1100℃，时间为2～3h。

进一步优选，步骤(2)中，所述冷轧处理的变形量为80～90％。

进一步优选，步骤(2)中，所述时效热处理的温度为300～400℃，时间为4～5h。

进一步优选，步骤(2)中，所述固溶处理的温度为1050℃，时间为2h，所述冷轧处理的轧制变形量为80％，所述时效热处理的温度为350℃，时间为4.5h。

本发明还提供了上述超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金在生物植入体上的应用，具体地：将所述超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金制作成预设的生物植入体形状，并作为生物植入体进行应用。

本发明提供的超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金，通过添加高分数Nb、V、Zr、Al元素来调控合金的β相的稳定性，可获得介稳的β相组织，使得合金具备通过固溶强化、形变强化以及后续低温时效处理产生的少量弥散分布的强化相进行综合的强韧化的效应，最终获得理想的综合的力学性能：拉伸塑性达到10％以上，屈服强度高于1.4GPa，杨氏模量很低，约为30GPa，与骨相当。该高性能合金可加工成多种形式的产品，在生物植入体等领域内有潜在的应用前景。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明提供的超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金在时效热处理后发生变形前后的XRD形貌图；

图2为本发明提供的超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金在室温条件下的力学性能曲线图。

具体实施方式

近来，多主元高熵合金成为研究的热点，由于高熵值的作用，高含量的元素加入仍然可以使合金呈现单相固溶体，由于合金种类和数量的增加，使得合金更易进行性能的调控。本发明通过多主元合金的设计形成介稳的多主元β-型钛合金，通过多主元合金元素的强大的固溶强化、形变强化以及后续低温时效处理产生的少量弥散分布的ω相进行综合的强化，在达到超高的屈服强度的同时，不损伤合金低的弹性模量优点。这种合金在形变工程中还发生相变，产生相变增韧的效果，因此，该合金还具备很高的韧性。是一种很有前途的生物植入材料的备选材料。

实施例1

配制成分为Ti

在室温下以10

实施例2

配制成分为Ti

在室温下以10

实施例3

配制成分为Ti

在室温下以10

本发明提供的超低弹性模量高屈服强度中熵钛合金，通过添加高分数Nb、V、Zr、Al元素来调控合金的β相的稳定性，可获得介稳的β相组织，使得合金具备通过固溶强化、形变强化以及后续低温时效处理产生的少量弥散分布的强化相进行综合的强韧化的效应，最终获得理想的综合的力学性能：如图1所示，制得的合金片材在时效热处理后，主要为BCC结构的β相，如图2所示，在室温条件下，制得的合金片材的拉伸塑性达到10％以上，屈服强度高于1.4GPa，杨氏模量约为30GPa，与骨相当。该高性能合金可加工成多种形式的产品，在生物植入体等领域内有潜在的应用前景。