[发明专利]通过铸造制造纳米孪晶化的钛材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造含有纳米孪晶的商业纯钛材料的方法。

背景技术

钛具有大量应用，其中其有利的机械性质及其相对低的比重量被高度重视。在某些应用中，令人感兴趣的是使用商业纯钛以代替更通常使用的合金如Ti-6Al-4V。在最终产品每天都与人体组织接触的应用中，通常为植入物但还可以为其他形式如珠宝、穿孔等，这是特别令人感兴趣的。

这是因为如下事实：通常存在于Ti-6Al-4V和其他机械有利合金中的钒有毒并引起过敏症，因此不适用于包含在用作植入物或其他类似应用的材料中。此外，通常认为商业纯的钛的生物相容性比其他钛合金的更好。

然而，问题在于，具有低钒含量的钛材料如商业纯的钛比相应合金具有显著更低的屈服强度和拉伸强度。

因此，需要如下的具有低钒含量的钛材料，通常为商业纯(CP)钛材料，其具有比常规CP钛材料相对更高的屈服强度和拉伸强度并优选具有维持的高延性。

通过引入位错或通过降低粒度可提高CP钛材料的强度。然而，常规上，这些方法导致延性的不期望的下降，使得材料不适用于大部分应用。

最近，在金属材料中引入纳米孪晶已经被证明是获得具有高强度和高延性的材料的有效方式。然而，并不是所有材料都适于这种加工。而且，不存在将纳米孪晶引入材料中的可以利用的普遍操作。已经显示，不同的方法对在不同材料中诱发纳米孪晶具有效果。

可将孪晶定义为共享一部分同一晶格的两种分开的晶体。对于纳米孪晶，分开的晶体之间的距离小于1000nm。

根据非专利文献XP-002639666已知的是，可在高应变速率下增强纳米结构的钛。通过等通道角挤压和冷轧可制备钛材料。因此，所述钛材料是超细晶粒的钛材料。在高应变速率下对钛材料进行变形加工期间，已经在材料中观察到了孪晶化。

文献US2005/0109158涉及制备超细晶粒的钛或钛合金制品的方法。使用低温铣削导致粗晶粒的钛材料发生严重机械变形成为超细晶粒的粉末。所述方法导致材料具有改进的机械性质。

然而，对于提高不是由粉末形成的钛如铸造的钛的强度的方法是未知的。

发明概述

本发明的目的是提供一种具有改进的强度的商业纯钛材料以及制造这种材料的方法。通过根据独立权利要求的发明可实现该目的。

本发明涉及制造纳米孪晶化的商业纯钛材料的方法，所述方法包括如下步骤：

-铸造商业纯钛材料，除了钛之外，所述商业纯钛材料还含有不超过0.05重量%的N、不超过0.08重量%的C、不超过0.015重量%的H、不超过0.50重量%的Fe、不超过0.40重量%的O和不超过0.40wt%的剩余物；

-使得所述材料的温度等于或低于0℃；以及

-在该温度下在所述材料中形成纳米孪晶的这种程度下使所述材料产生塑性变形。

实验显示，通过实施这些步骤，将纳米孪晶引入所述材料中，其中所述钛材料的拉伸强度和屈服强度两者都提高。本发明不限制为铸造的任意具体类型，而是旨在覆盖其中基础材料不是粉末的所有类型的方法。因此，本发明尤其覆盖连续铸造和模具铸造。此外，可在铸造之后在任意时间实施在低温下的变形。关于本发明，为了获得易受本发明其余方法步骤影响的微结构，铸造步骤是重要的。因此，在结合铸造步骤完成低温下的变形方面不存在限制。

在本发明的实施方案中，在小于每秒2%、优选小于每秒1.5%且更优选小于每秒1%的速率下使所述材料产生变形。

相对低的变形速率是有利的，因为其将在材料中的温度升高保持在可控水平下。如果变形速率太高，材料中的温度会升高并对塑性变形的可预测性如纳米孪晶的形成造成不利影响。

优选地，在使所述材料产生塑性变形之前，使得所述材料的温度低于-50℃，或还更优选-100℃。

在本发明方法的一个实施方案中，在使所述材料产生塑性变形之前，例如利用液氮将所述材料冷却至-196℃的温度。

在本发明方法的一个实施方案中，通过源自例如轧制的压缩使所述材料产生塑性变形。

作为所述压缩的替代或补充，所述塑性变形可包括应变，通过例如拉伸使所述材料产生应变。可将所述材料塑性变形至与至少10%、优选至少20%且更优选至少30%的塑性变形相对应的程度。

在根据本发明的方法的特定实施方案中，在小于每次变形10%、优选小于每次变形6%且更优选小于每次变形4%的条件下，使所述材料间歇地产生塑性变形。