TiNbTaZr低模量鈦合金表面處理的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低彈性模量鈦合金的表面改性方法，具體地，涉及一種TiNbTaZr低模量鈦合金表面處理的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]攬拌摩擦焊(Frict1n Stir Welding,簡(jiǎn)稱FSW)是英國焊接研究所(The WeldingInstitute)于1991年發(fā)明的一種新型金屬連接新技術(shù)，現(xiàn)已成熟應(yīng)用到多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。2001年，美國密蘇里大學(xué)的Mishra教授等人基于攪拌摩擦焊接(FSW)原理，提出一種全新的用于材料微觀組織改性和制造的固態(tài)加工技術(shù)，稱為攪拌摩擦加工(Frict1n stirprocessing，簡(jiǎn)稱FSP)，并制備出了細(xì)晶超塑性鋁合金[I]。在攪拌摩擦加工過程中，加工區(qū)域經(jīng)歷了劇烈的塑性變形，攪拌區(qū)組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)加工組織顯著致密化和均勻化。另外，在FSP加工時(shí)，利用加工區(qū)金屬劇烈的塑性變形和流動(dòng)可以加入一定體積的元素或第二相進(jìn)行微觀組織的修改，這在復(fù)合材料制備、金屬材料表面改性及微觀結(jié)構(gòu)改性等方面是一種非常有效的加工技術(shù)[2-3]。目前，攪拌摩擦加工技術(shù)(FSP)己成為國內(nèi)外研究新型環(huán)保加工技術(shù)的熱點(diǎn)。從原理上講，F(xiàn)SW也是FSP的一類。但從發(fā)展時(shí)間來說，F(xiàn)SW概念的提出遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于FSP，故未將FSW歸入FSP。目前，F(xiàn)SP已在金屬微觀組織細(xì)化、超塑性材料制備、表面復(fù)合材料以及納米相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等方面取得了廣泛的應(yīng)用。2002年，中國第一家專業(yè)化攪拌摩擦焊技術(shù)授權(quán)公司——中國攪拌摩擦焊中心即北京賽福斯特技術(shù)有限公司成立，標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)在中國市場(chǎng)(包括香港、澳門、和臺(tái)灣)的研發(fā)及工程應(yīng)用工作的正式啟用。FSP作為一項(xiàng)全新的材料加工技術(shù)，目前主要是美國、日本、意大利等國外的科研工作者從事FSP的研究工作。研究結(jié)果表明FSP工藝參數(shù):攪拌頭的形狀、旋轉(zhuǎn)速度和材料加工速度(即進(jìn)給速度)，對(duì)表面改性層的組織形貌均具有顯著的影響。
[0003]上世紀(jì)70年代初期開始鈦合金鑄件即被用于植入人體，作為壞死關(guān)節(jié)的修復(fù)體。其在醫(yī)學(xué)方面的發(fā)展和應(yīng)用已趨于成熟并依然有著十分廣闊的發(fā)展前景。由于其良好的生物相容性，隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療用鈦數(shù)量也在急劇攀升，尤其以生物無毒元素Nb、Zr、Ta、Mo、Sn等組成的鈦合金的開發(fā)和應(yīng)用市場(chǎng)更為巨大。β鈦合金以其較低的彈性模量、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)和良好的生物相容性，將成為今后醫(yī)用鈦合金研制與開發(fā)的重點(diǎn)。攪拌摩擦加工技術(shù)近幾年來在國內(nèi)取得了飛速的發(fā)展，作為一種新型的材料表面加工技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。目前其主要研究方向集中在鎂、鋁等輕合金中，以在工業(yè)中顯著提高鋁、鎂、鈦輕合金和鋼表面的硬度和耐磨性以及材料的整體強(qiáng)度和塑、韌性為主要目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種TiNbTaZr低模量鈦合金表面處理的方法。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明涉及TiNbTaZr低模量鈦合金表面處理的方法，所述方法包括如下步驟:
[0007]在氬氣保護(hù)條件下，將表面光滑的TiNbTaZr低模量鈦合金固定在攪拌摩擦焊設(shè)備的工作臺(tái)上安裝，表面攪拌摩擦處理，即可；
[0008]所述TiNbTaZr低模量鈦合金包括如下質(zhì)量百分比含量的各組分:
[0009]Nb34 ?36%，
[0010]Zr2.5 ?3.5%,
[0011]Ta1.5 ?2.5%,
[0012]余量為Ti。
[0013]優(yōu)選地，所述方法包括如下步驟:
[0014]步驟A，試樣制備:制備表面光滑的TiNbTaZr低模量鈦合金；
[0015]步驟B，攪拌摩擦處理:在氬氣氣氛保護(hù)下，將表面光滑的TiNbTaZr低模量鈦合金固定在攪拌摩擦焊設(shè)備的工作臺(tái)上安裝，表面攪拌摩擦處理，即可。
[0016]優(yōu)選地，步驟B中，所述攪拌摩擦焊設(shè)備的工藝參數(shù):加工速度20?400mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度375?2000r/min，加工過程中控制軸肩壓入工件表面深度為0.3?0.5mm ；
[0017]優(yōu)選地，步驟A中，所述TiNbTaZr低模量鈦合金的厚度為15?20mm。
[0018]優(yōu)選地，所述表面攪拌摩擦處理具體為I道次表面攪拌摩擦處理。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0020](I)本發(fā)明方法處理后的TiNbTaZr低模量鈦合金表面具有超細(xì)晶結(jié)構(gòu)；
[0021](2)本發(fā)明方法采用的原料為生物無毒元素Nb、Zr、Ta為合金化元素的TiNbTaZr低模量鈦合金，本發(fā)明方法無污染，安全可靠；
[0022](3)本發(fā)明方法處理后的TiNbTaZr低模量鈦合金具有高的強(qiáng)度，較好的耐磨性，較好的表面生物相容性，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)用外科植入領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0023]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0024]圖1為不同區(qū)域硬度值與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系圖；
[0025]圖2為攬祥區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)相鄰的區(qū)域廣生的晶粒和晶界不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]實(shí)施例1
[0028]本發(fā)明涉及TiNbTaZr低模量鈦合金表面處理的方法，所述方法包括如下步驟:
[0029]步驟I，采用中間合金添加料按成分配比稱料，利用真空自耗熔煉技術(shù)反復(fù)三次熔煉 T1-Nb-Zr-Ta (Nb34wt%, Zr2.5wt%, Tal.5wt%,余量為 Ti ) β 鈦合金，熔煉出直徑 80 ?120mm的鑄錠；在950°C對(duì)材料進(jìn)行鍛造，鍛造成厚度在30?50mm的方坯，打磨材料表面缺陷后在950°C對(duì)材料進(jìn)行熱軋，道次變形量控制在5?8%，軋制到厚度15_左右；將TiNbTaZr鈦合金表面打磨去除氧化皮、采用四輥冷矯直機(jī)對(duì)材料矯直，采用超聲波探傷確定材料無氣孔等缺陷，用打磨機(jī)將