[发明专利]一种高强度纯钛材料

说明书

技术领域：

本发明属于材料领域，涉及一种高强度纯钛材料，尤其是一种低杂质含量纯钛材料及其冷加工和热处理方法

背景技术：

纯钛材料具有优异的韧塑性、耐蚀性、生物相容性、加工性等特点，且制造成本低，同时，无合金元素添加环境相容，是广泛应用于军工国防、航空航天、医疗等领域的结构材料。

然而，由于纯钛材料的强度较低，作为结构材料，应用范围受到限制。杂质含量越低的纯钛材料，强度就越低，但杂质含量越低，材料的稳定性就越好。

参考国标：GB/T2965-2007钛及钛合金棒材

目前，在工业应用中，提高纯钛材料强度最成熟、最有效的方法是进行细晶强化。细晶强化的原理可用hall-Petch公式解释：由于多晶体中的晶界变形抗力较大，且每个晶粒的变形都要受到周围晶粒的牵制，故多晶体的室温强度总是随着晶粒的细化(即晶界总面积的增加)而提高。多晶体屈服强度σs与晶粒平均直径d之间的关系可用hall-Petch公式描述：σ_s＝σ₀+kd^-1/2。以不同晶粒尺寸的纯钛材料为例，当晶粒尺寸为7～8级时，强度为400Mpa左右，而当晶粒尺寸达到11～12级时，强度可提高70～100Mpa。这充分说明了细晶强化对于材料强度的提升是有效的。然而，单纯通过细化晶粒的方式对纯钛材料强度的提升仍然非常有限，不能满足某些应用领域对材料强度性能的要求。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高强度纯钛材料及其制备工艺，高强度纯钛材料采用低杂质含量的纯钛材料，通过冷加工与热处理方式获得高于现有强度2～3倍的纯钛材料。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种高强度纯钛材料，所述纯钛材料中Fe≤0.04wt％、C≤0.04wt％、N≤0.04wt％、H≤0.04wt％、O≤0.04wt％，其余为Ti。

所述纯钛材料的熔炼原料为0级海绵钛，且0级海绵钛中Fe含量≤0.02wt％；熔炼过程的真空度≤2×10^-1Pa，漏气率＜0.2Pa/min。

所述高强度纯钛材料制成的棒丝材，所述棒丝材的直径Φ≤8mm，棒丝材的抗拉强度≥800Mpa，延伸率≥20％。

所述高强度纯钛材料的制备工艺，包括如下步骤：

(1)熔炼：采用0级海绵钛为熔炼原料，且0级海绵钛中Fe含量≤0.02wt％；熔炼过程的真空度≤2×10^-1Pa，漏气率＜0.2Pa/min；

(2)冷加工：采用轧条退火后室温拉拔的方式进行加工，退火温度为750℃、时间1h，各拉拔道次中间不得进行热处理；道次累积冷加工变形量≥70％；

(3)成品退火热处理：温度≤400℃，时间≤1h。

所述高强度纯钛材料制备工艺的优选方式为：

采用Φ12mm的纯钛轧条，经过750℃，1h的退火后，扒皮为Φ11mm的光条，采用室温拉拔的加工方式，经过8个道次，加工为Φ6mm的成品，累积加工变形量为70.2％；棒丝材的抗拉强度≥800Mpa，延伸率≥20％。。

所述高强度纯钛材料制备工艺的优选方式为：采用Φ7mm的纯钛轧条，经过750℃，1h的退火后，扒皮为Φ6mm的光条，采用室温拉拔的加工方式，经过8个道次，加工为Φ3.25mm的成品，累积加工变形量为70.7％；将所述成品进行低温退火，退火温度400℃，退火时间1h。

本发明通过控制材料的成分和加工方式，使纯钛材料不仅具有相当于钛合金的高强度，在室温下使用具有良好的性能稳定性，同时具有钛合金不可比拟的低成本和环境友好性，本发明的纯钛材料杂质含量低，其强度比现有的纯钛材料高2～3倍。

附图说明：

图1a为晶粒度为六级的纯钛材料金相结构图；

图1b为晶粒度为十级的纯钛材料金相结构图；

图2a为本发明的纯钛材料金相结构图；

图2b为传统的纯钛材料金相结构图；

图3a为本发明的纯钛材料低温退火后的金相结构图；

图3b为本发明的纯钛材料未退火的金相结构图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：