一种Zr-Ta纳米片增强Ti-Mo基复合材料及制备方法

摘要

本发明提供了一种Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基(简记为Zr‑Ta/Ti‑Mo)复合材料及其制备方法，通过该方法制备的Zr‑Ta/Ti‑Mo复合材料能够在保持单一体心立方(简记为BCC)结构的前提下，具备高的屈服强度、高的拉伸强度及大的延伸率，在BCC结构中实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配，能够有效解决现有的β型钛合金在呈现单一BCC结构时存在的强度和延伸率匹配不足问题(表现为拉伸强度·延伸率积相对较低)，可望在生物医用及先进工业等高技术领域获得重要应用。

权利要求

1.Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：A)将Zr‑Ta板和Ti‑Mo板按照Ti‑Mo/Zr‑Ta/Ti‑Mo/Zr‑Ta……Ti‑Mo/Zr‑Ta/Ti‑Mo的顺序交替堆叠，共堆叠21层，其中所述Zr‑Ta板是Ta的质量百分含量为30～50％，尺寸为(100‑

140mm)×(50‑70mm)×(0.3‑0.5mm)的Zr‑Ta板，Ti‑Mo板是Mo的质量百分含量为10～20％，尺寸为(100‑140mm)×(50‑70mm)×(1.7‑1.5mm)的Ti‑Mo板，将堆叠的Ti‑Mo板和Zr‑Ta板放入包套内，然后将上钛板和下钛板通过氩弧焊的方式焊合，并通过包套预留的方孔对包套抽真空至0.1～1Pa的真空度范围，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到包套板坯，其中，所述包套包括两端折弯的上钛板和两端折弯的下钛板，包套的侧面设有所述方孔，上钛板和下钛板均选用商用纯钛；

B)将包套板坯加热到600～700℃并保温20～30min，完成挤压前预热；将预热后的包套板坯在600吨卧式挤压机上以15～25mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在400～500℃，挤压比为0.3～0.5；

C)将挤压后的包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为500～600℃，保温10～

30min；加热完成后将包套板坯放入轧机进行3个道次的轧制，单道次变形量依次为60％～

70％，55％～65％及45％～55％，轧制总变形量不低于90％～95％；轧制完成后去除包裹在堆叠的Ti‑Mo板和Zr‑Ta板外面的包套，得到Zr‑Ta微米片增强Ti‑Mo层状复合板，即具有亚微米结构的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板；

D)采用线切割和/或机加工的方法从经上述步骤获得的具有亚微米结构的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板上切割原材料板材，并通过对其进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面的具有亚微米结构的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板；

E)制作第二包套板坯，其中，第二包套板坯所用的第二包套包括两端折弯的上铁板和两端折弯的下铁板，第二包套的侧面设有用于透气的方孔，上下铁板选用商用纯铁，包括：首先将80～120块具有亚微米结构的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板进行堆垛，并将堆垛好的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板放入下铁板内，然后将上铁板和下铁板通过氩弧焊的方式焊合，并通过包套预留的方孔对包套抽真空至1～2Pa的真空度范围，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到第二包套板坯；

F)利用箱式电阻炉将第二包套板坯加热到700～800℃并保温10～30min，完成挤压前预热；将预热后的第二包套板坯在600吨卧式挤压机上以10～20mm/s的速度进行挤压变形；

挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对第二包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在500～550℃，挤压比为0.3～0.5；

G)将挤压后的第二包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为550～650℃，保温10～30min；加热完成后将第二包套板坯放入轧机进行5个道次的轧制，单道次变形量依次为

60％～70％，50％～60％，50％～60％，40％～50％及30％～40％，轧制总变形量不低于

95％～98％；

H)在轧制完成后去除包裹在复合板外面的包套，并对复合板进行酸洗和/或酒精超声清洗，然后对其在600～675℃范围内进行10～30min的再结晶退火，从而得到Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基复合材料。

2.根据权利要求1所述的Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基复合材料的制备方法，其特征在于：所述Zr‑Ta板和Ti‑Mo板是采用线切割和/或机加工的方法分别从Zr‑Ta合金和Ti‑Mo合金上切割得到的Zr‑Ta和Ti‑Mo板材，且所述Zr‑Ta和Ti‑Mo板材受到了机械打磨和超声清洗，从而成为具有新鲜表面的Zr‑Ta和Ti‑Mo板材。

3.根据权利要求1所述的Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基复合材料的制备方法，其特征在于：在将堆叠好的Ti‑Mo板和Zr‑Ta板放入包套之前，在堆叠好的Ti‑Mo板和Zr‑Ta板的与包套上下钛板接触的两块Ti‑Mo板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑，以及在将堆垛好的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板放入下铁板内之前，在堆垛好的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板的与第二包套上下铁板接触的两块Zr‑Ta/Ti‑Mo板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑。

4.根据权利要求1所述的Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤B)中将包套板坯加热到600～700℃并保温20～30min的操作是利用箱式电阻炉进行的。

5.根据权利要求1所述的Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基复合材料的制备方法，其特征在于：在去除包裹在堆叠的Ti‑Mo板和Zr‑Ta板外面的包套之后，对堆叠的Ti‑Mo板和Zr‑Ta板进行酸洗和/或酒精超声清洗。

6.用根据权利要求1‑5之一所述的制备方法制备得到Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基复合材料。

说明书

一种Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基复合材料及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基(简记为Zr‑Ta/Ti‑Mo)复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 钛合金凭借其优良的综合力学性能(高比强度)、良好的功能特性(形状记忆及超弹性)、极佳的生物相容性和耐腐蚀性能，已经广泛应用于航空、航天、舰船、化工以及医疗器械等领域，被誉为“海陆空三栖金属”。钛合金上述优异特性的实现，主要得益于其通过调整合金成分及热‑机械处理工艺能够获得具有不同晶体结构的微观相，包括体心立方结构的β相、密排六方结构的α和α′相、正交结构的α"相及非密排六方结构的ω相等。在钛合金的众多微观相中，具有体心立方(BCC)结构的β相因其独有的低弹性模量、优良的生物相容性及较大的延伸率等特性已经受到科学及工程领域的关注。目前，生物医用钛合金及超弹性钛合金均是基于BCC(也就是β相)结构实现性能设计及优化。

[0003] 尽管具有BCC结构的β相钛合金具有低弹性模量及大延伸率等性能优势，但它也存在屈服强度和拉伸强度较低的性能缺陷。为了提升BCC钛合金的屈服强度和拉伸强度，目前主要通过采用热‑机械处理的方式在钛合金的BCC基体上析出密排六方结构的α强化相或非密排六方结构的ω强化相来实现强化。然而，这些强化方式不可避免地会引入非BCC结构的α相或ω相，破坏β相钛合金原有的单一BCC结构，导致BCC合金某些特性的劣化甚至消失。例如，在钛合金的BCC基体中引入非BCC结构的α或ω析出相在提升合金屈服强度和拉伸强度的同时，也会导致合金弹性模量的明显升高并伴随延伸率的显著降低。研究表明，当钛合金中ω相体积含量超过30％时，钛合金便不再具备低弹性模量特性，同时其拉伸延伸率将降至3％，约为BCC钛合金的1/7。因此，现有的β相钛合金在保持单一BCC结构的前提下，其强度(包括屈服强度和拉伸强度)和延伸率很难达到较高的匹配(表现为拉伸强度·延伸率积相对较低)，限制了其在生物医用及先进工业等高技术领域的应用。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基(简记为Zr‑Ta/Ti‑Mo)复合材料及制备方法，所制备的Zr‑Ta/Ti‑Mo复合材料中的Zr‑Ta纳米片及Ti‑Mo基体均为BCC结构，复合材料在整体上保持单一的BCC结构。本发明通过充分发挥Zr‑Ta纳米尺度增强相的高屈服强度和高拉伸强度及Ti‑Mo基体优良的延伸率，并借助两种BCC组元复合时组元界面及取向偏差等微观结构因素赋予的性能提升效应，在BCC结构中实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配，可望在生物医用及先进工业等高技术领域获得重要应用。

[0005] 本发明属于金属基复合材料领域，并涉及一种Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基(简记为Zr‑Ta/Ti‑Mo)复合材料及其制备方法，通过该方法制备的Zr‑Ta/Ti‑Mo复合材料能够在保持单一体心立方(简记为BCC)结构的前提下，具备高的屈服强度、高的拉伸强度及大的延伸率，能够有效解决现有的β型钛合金在呈现单一BCC结构时存在的强度和延伸率匹配不足问题(表现为拉伸强度·延伸率积相对较低)，可望在生物医用及先进工业等高技术领域获得重要应用。

附图说明

[0006] 图1显示了根据本发明的一个实施例的制备方法中Ti‑Mo板和Zr‑Ta板的堆垛示意图。

[0007] 图2用于根据本发明的一个实施例的制备方法中的热挤压和分道次轧制的包套的示意图。

[0008] 图3显示了根据本发明的实施例1制备的Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料的高能X射线衍射图谱。

[0009] 图4显示了根据本发明的实施例1制备的Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料的横截面扫描电镜照片。

[0010] 图5显示了根据本发明的实施例1制备的Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料在拉伸过程中的应力‑应变曲线。

[0011] 图6显示了根据本发明的实施例2制备的Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料的高能X射线衍射图谱。

[0012] 图7显示了根据本发明的实施例2制备的Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料的横截面扫描电镜照片。

[0013] 图8显示了根据本发明的实施例2制备的Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料在拉伸过程中的应力‑应变曲线。

[0014] 图9显示了根据本发明的实施例3制备的Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料的高能X射线衍射图谱。

[0015] 图10显示了根据本发明的实施例3制备的Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料的横截面扫描电镜照片。

[0016] 图11显示了根据本发明的实施例3制备的Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料在拉伸过程中的应力‑应变曲线。

具体实施方式

[0017] 根据本发明，为了解决现有的钛合金在保持单一BCC结构时，其强度(包括屈服强度和拉伸强度)和延伸率难以实现较高匹配的问题，本发明提供了一种Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基(简记为Zr‑Ta/Ti‑Mo)复合材料及制备方法，所制备的Zr‑Ta/Ti‑Mo复合材料中的Zr‑Ta纳米片及Ti‑Mo基体均为BCC结构，复合材料在整体上保持单一的BCC结构。本发明通过充分发挥Zr‑Ta纳米尺度增强相的高屈服强度和高拉伸强度及Ti‑Mo基体优良的延伸率，并借助两种BCC组元复合时组元界面及取向偏差等微观结构因素赋予的性能提升效应，在BCC结构中实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配，可望满足生物医用及先进工业等高技术领域对具有高拉伸强度·延伸率积的BCC钛基复合材料的迫切需求。

[0018] 根据本发明的一个方面，根据本发明的Zr‑Ta/Ti‑Mo复合材料的制备所采用的原材料种类包括：

[0019] 增强材料：Zr‑Ta合金(其中Ta的质量百分含量为30～50％，余量为Zr)；

[0020] 基体材料：Ti‑Mo合金(其中Mo的质量百分含量为10～20％，余量为Ti)。

[0021] 上述原材料既可按照如上成分配比自行制备，也可以在国内实现批量采购，也就是说，本发明所需的原材料均无需进口。用于增强的Zr‑Ta合金和Ti‑Mo基体合金按照图1所示的方式交替排布形成层状复合结构，其中Zr‑Ta合金在复合材料中的厚度占比处于15％～25％之间，其余为Ti‑Mo基体合金。

[0022] 根据本发明的一个进一步的方面，提供了根据本发明的Zr‑Ta/Ti‑Mo复合材料的制备工艺，包括以下步骤：

[0023] 第一步，采用线切割和/或机加工的方法从Zr‑Ta合金和Ti‑Mo合金上分别切割Zr‑Ta和Ti‑Mo原材料板材，并通过对两种原材料板材进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面(无污浊或表面氧化皮)的Zr‑Ta和Ti‑Mo板材；

[0024] 第二步，包套板坯制作，其中，包套板坯所用的包套包括两端折弯的上钛板和两端折弯的下钛板(见图2)，包套的侧面设有用于透气的方孔，上下钛板选用商用纯钛，包括：首先将Zr‑Ta板和Ti‑Mo板按照Ti‑Mo/Zr‑Ta/Ti‑Mo/Zr‑Ta……Ti‑Mo/Zr‑Ta/Ti‑Mo的顺序交替堆叠(堆垛示意图如图1所示)，共堆叠21层，接着在与包套上下钛板接触的两块Ti‑Mo板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑，再将堆叠好的Ti‑Mo板和Zr‑Ta板放入下钛板内，然后将上钛板和下钛板通过氩弧焊的方式焊合，并通过包套预留的方孔对包套进行抽真空处理(真空度范围为0.1～1Pa)，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到包套板坯；

[0025] 第三步，利用箱式电阻炉将包套板坯加热到600～700℃并保温20～30min，完成挤压前预热；将预热后的包套板坯在600吨卧式挤压机上以15～25mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在400～500℃，挤压比为0.3～0.5；

[0026] 第四步，将挤压后的包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为500～600℃，保温10～30min；加热完成后将包套板坯放入轧机进行3个道次的轧制，单道次变形量依次为60％～70％，55％～65％及45％～55％，轧制总变形量不低于90％～95％；轧制完成后去除包裹在堆叠的Ti‑Mo板和Zr‑Ta板外面的包套，并对堆叠的Ti‑Mo板和Zr‑Ta板进行酸洗和/或酒精超声清洗，得到Zr‑Ta微米片增强Ti‑Mo层状复合板，即具有亚微米结构的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板；

[0027] 第五步，采用线切割和/或机加工的方法从经上述步骤获得的具有亚微米结构的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板上切割原材料板材，并通过对其进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面(无污浊或表面氧化皮)的具有亚微米结构的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板；

[0028] 第六步，制作第二包套板坯，其中，第二包套板坯所用的第二包套包括两端折弯的上铁板和两端折弯的下铁板(见图2)，第二包套的侧面设有用于透气的方孔，上下铁板选用商用纯铁，包括：首先将80～120块具有亚微米结构的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板进行堆垛，接着在与第二包套上下铁板接触的两块Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑，并将堆垛好的Zr‑Ta/Ti‑Mo层状复合板放入下铁板内，然后将上铁板和下铁板通过氩弧焊的方式焊合，并通过第二包套预留的方孔对第二包套进行抽真空处理(真空度为1～2Pa)，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到第二包套板坯；

[0029] 第七步，利用箱式电阻炉将第二包套板坯加热到700～800℃并保温10～30min，完成挤压前预热；将预热后的第二包套板坯在600吨卧式挤压机上以10～20mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对第二包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在500～550℃，挤压比为0.3～0.5；

[0030] 第八步，将挤压后的第二包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为550～650℃，保温10～30min；加热完成后将第二包套板坯放入轧机进行5个道次的轧制，单道次变形量依次为60％～70％，50％～60％，50％～60％，40％～50％及30％～40％，轧制总变形量不低于95％～98％；

[0031] 第九步，在轧制完成后去除包裹在复合板外面的包套，并对复合板进行酸洗和/或酒精超声清洗，然后对其在600～675℃范围内进行10～30min的再结晶退火，从而得到Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基(Zr‑Ta/Ti‑Mo)复合材料。

[0032] 本发明的优点包括：

[0033] (1)本发明提供了一种Zr‑Ta纳米片增强Ti‑Mo基(简记为Zr‑Ta/Ti‑Mo)复合材料及其制备方法，所制备的Zr‑Ta/Ti‑Mo复合材料在整体上保持单一BCC结构的前提下，实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配，在生物医用及先进工业等高技术领域具有重要而广阔的应用前景。

[0034] (2)本发明制备的复合材料的强度和延伸率均可基于其原材料(也就是Zr‑Ta和Ti‑Mo合金)的厚度占比及制备工艺(如板坯制作、热挤压、多道次轧制及热处理等环节)进行设计与调控，因此本发明的复合材料具有很好的性能可调控特性。此外，本发明制备的复合材料所选用的Zr‑Ta和Ti‑Mo原材料均由无细胞毒性元素构成，因此复合材料避免了潜在的细胞毒性。综上，本发明制备的Zr‑Ta/Ti‑Mo复合材料除了能够在保持单一BCC结构的前提下实现高强度和大延伸率的良好匹配外，还兼具优良的性能可调控特性及潜在的无细胞毒性特征。

[0035] 为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，以下通过实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的可实施范围不限于以下实施例。

[0036] 实施例1：

[0037] 操作步骤包括：

[0038] (1)原材料选用，包括：

[0039] 增强材料：选用Zr70Ta30(wt.％)合金；

[0040] 基体材料：选用Ti90Mo10(wt.％)合金。

[0041] (2)Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料的制备，包括：

[0042] ①采用线切割和/或机加工的方法从Zr70Ta30合金和Ti90Mo10合金上分别切下尺寸为100mm×50mm×0.3mm的Zr70Ta30和尺寸为100mm×50mm×1.7mm的Ti90Mo10原材料板材，并通过对两种原材料板材进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面(无污浊或表面氧化皮)的Zr70Ta30和Ti90Mo10板材；

[0043] ②包套板坯制作，其中，包套板坯所用的包套包括两端折弯的上钛板和两端折弯的下钛板(见图2)，包套的侧面设有用于透气的方孔，上下钛板选用商用纯钛，包括：首先将Ti90Mo10板和Zr70Ta30板按照Ti90Mo10/Zr70Ta30/Ti90Mo10/Zr70Ta30……Ti90Mo10/Zr70Ta30/Ti90Mo10的顺序交替堆叠(堆垛示意图如图1所示)，共堆叠21层，接着在与包套上下钛板接触的两块Ti90Mo10板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑，再将堆叠好的Ti90Mo10板和Zr70Ta30板放入下钛板内，然后将上钛板和下钛板通过氩弧焊的方式焊合，并通过包套预留的方孔对包套进行抽真空处理(真空度为0.1Pa)，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到包套板坯；

[0044] ③利用箱式电阻炉将包套板坯加热到600℃并保温20min，完成挤压前预热；将预热后的包套板坯在600吨卧式挤压机上以15mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在400℃，挤压比为0.3；

[0045] ④将挤压后的包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为500℃，保温10min；加热完成后将包套板坯放入轧机进行3个道次的轧制，单道次变形量依次为60％，55％及45％，轧制总变形量不低于90％；轧制完成后去除包裹在堆叠的Ti90Mo10板和Zr70Ta30板外面的包套，并对堆叠的Ti90Mo10板和Zr70Ta30板进行酸洗和/或酒精超声清洗，得到Zr70Ta30微米片增强Ti90Mo10层状复合板，即具有亚微米结构的Zr70Ta30/Ti90Mo10层状复合板；

[0046] ⑤采用线切割和/或机加工的方法从经上述步骤获得的具有亚微米结构的Zr70Ta30/Ti90Mo10层状复合板上切割原材料板材，并通过对其进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面(无污浊或表面氧化皮)的具有亚微米结构的Zr70Ta30/Ti90Mo10层状复合板；

[0047] ⑥制作第二包套板坯，其中，第二包套板坯所用的第二包套包括两端折弯的上铁板和两端折弯的下铁板(见图2)，第二包套的侧面设有用于透气的方孔，上下铁板选用商用纯铁，包括：首先将80块具有亚微米结构的Zr70Ta30/Ti90Mo10层状复合板进行堆垛，接着在与第二包套上下铁板接触的两块Zr70Ta30/Ti90Mo10层状复合板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑，并将堆垛好的Zr70Ta30/Ti90Mo10层状复合板放入下铁板内，然后将上铁板和下铁板通过氩弧焊的方式焊合，并通过第二包套预留的方孔对第二包套进行抽真空处理(真空度为1Pa)，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到第二包套板坯；

[0048] ⑦利用箱式电阻炉将第二包套板坯加热到700℃并保温10min，完成挤压前预热；将预热后的第二包套板坯在600吨卧式挤压机上以10mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对第二包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在500℃，挤压比为0.3；

[0049] ⑧将挤压后的第二包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为550℃，保温10min；加热完成后将第二包套板坯放入轧机进行5个道次的轧制，单道次变形量依次为
60％，50％，50％，40％及30％，轧制总变形量不低于95％；

[0050] ⑨在轧制完成后去除包裹在复合板外面的包套，并对复合板进行酸洗和/或酒精超声清洗，然后对其在600℃进行10min的再结晶退火，从而得到Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基(Zr70Ta30/Ti90Mo10)复合材料。

[0051] (3)合金检测

[0052] 采用高能X射线同步辐射(HE‑SXRD)分析了Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基(Zr70Ta30/Ti90Mo10)复合材料的相组成，同步辐射测试使用美国阿贡国家实验室(Argonne 2
National Laboratory)的11‑1D‑C线站光源，实验光斑大小为0.6×0.6mm ，波长为图3为本实施例的Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料的高能X射线衍射图谱。可以看到，图中所有的衍射峰均来自于BCC相，这表明Zr70Ta30/Ti90Mo10复合材料在整体上呈现单一的BCC结构。

[0053] 利用FEI Nova Nano 450场发射扫描电子显微镜观察了Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基(Zr70Ta30/Ti90Mo10)复合材料的横截面形貌，试验前依次对样品进行镶嵌、打磨和抛光处理。图4为本实施例的Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料的横截面扫描电镜照片。从中可以看到，Zr70Ta30/Ti90Mo10复合材料由Zr70Ta30纳米片(图中的亮带)和Ti90Mo10基体(图中的暗区)构成，呈现典型的层状复合结构。其中，Zr70Ta30纳米片的平均厚度为100nm，Zr70Ta30纳米片在Zr70Ta30/Ti90Mo10复合材料中所占的体积分数为15％。此外，还可以看到，Zr70Ta30纳米片和Ti90Mo10基体的界面处不存在任何的共晶或析出等不利反应，形成了良好的冶金结合。

[0054] 在Instron‑8801型拉伸试验机上对Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基(Zr70Ta30/Ti90Mo10)复合材料进行了室温拉伸试验，所用拉伸试样是沿Zr70Ta30/Ti90Mo10复合材料的原始轧制方向切割下来的标准“狗骨头状”试样，其标距为25mm，试验前需要将拉伸试样的表面和截面进行打磨以去除氧化皮和切割痕，试验过程中通过电子引伸计测量拉伸过程中试‑3 ‑1样的应变值，应变速率为1×10 s 。图5为本实施例的Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料在拉伸过程中的应力‑应变曲线。可以看到，Zr70Ta30/Ti90Mo10复合材料的屈服强度为
721MPa，拉伸强度为1308MPa，延伸率为38％，拉伸强度·延伸率积高达49.7GPa·％。这表明Zr70Ta30/Ti90Mo10复合材料实现了高屈服强度、高拉伸强度和大延伸率的良好匹配。

[0055] 通过以上测试和表征，可以发现本实施例的Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料在保持单一BCC结构的前提下，实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配，可望在生物医用及先进工业等高技术领域获得重要应用。本实施例的Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料与现有的β型钛合金的性能对比如表1所示：

[0056] 表1

[0057]

[0058] 由表1可知，与现有的具有单一BCC结构的β型钛合金相比，本实施例的Zr70Ta30纳米片增强Ti90Mo10基复合材料不仅具有更高的屈服强度和拉伸强度，还具有更大的延伸率和拉伸强度·延伸率积，在BCC结构中实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配。

[0059] 实施例2：

[0060] 操作步骤包括：

[0061] (1)原材料选用，包括：

[0062] 增强材料：选用Zr60Ta40(wt.％)合金；

[0063] 基体材料：选用Ti85Mo15(wt.％)合金。

[0064] (2)Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料的制备，包括：

[0065] ①采用线切割和/或机加工的方法从Zr60Ta40合金和Ti85Mo15合金上分别切下尺寸为120mm×60mm×0.4mm的Zr60Ta40和尺寸为120mm×60mm×1.6mm的Ti85Mo15原材料板材，并通过对两种原材料板材进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面(无污浊或表面氧化皮)的Zr60Ta40和Ti85Mo15板材；

[0066] ②包套板坯制作，其中，包套板坯所用的包套包括两端折弯的上钛板和两端折弯的下钛板(见图2)，包套的侧面设有用于透气的方孔，上下钛板选用商用纯钛，包括：首先将Ti85Mo15板和Zr60Ta40板按照Ti85Mo15/Zr60Ta40/Ti85Mo15/Zr60Ta40……Ti85Mo15/Zr60Ta40/Ti85Mo15的顺序交替堆叠(堆垛示意图如图1所示)，共堆叠21层，接着在与包套上下钛板接触的两块Ti85Mo15板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑，再将堆叠好的Ti85Mo15板和Zr60Ta40板放入下钛板内，然后将上钛板和下钛板通过氩弧焊的方式焊合，并通过包套预留的方孔对包套进行抽真空处理(真空度为0.5Pa)，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到包套板坯；

[0067] ③利用箱式电阻炉将包套板坯加热到650℃并保温25min，完成挤压前预热；将预热后的包套板坯在600吨卧式挤压机上以20mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在450℃，挤压比为0.4；

[0068] ④将挤压后的包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为550℃，保温20min；加热完成后将包套板坯放入轧机进行3个道次的轧制，单道次变形量依次为65％，60％及50％，轧制总变形量不低于93％；轧制完成后去除包裹在堆叠的Ti85Mo15板和Zr60Ta40板外面的包套，并对堆叠的Ti85Mo15板和Zr60Ta40板进行酸洗和/或酒精超声清洗，得到Zr60Ta40微米片增强Ti85Mo15层状复合板，即具有亚微米结构的Zr60Ta40/Ti85Mo15层状复合板；

[0069] ⑤采用线切割和/或机加工的方法从经上述步骤获得的具有亚微米结构的Zr60Ta40/Ti85Mo15层状复合板上切割原材料板材，并通过对其进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面(无污浊或表面氧化皮)的具有亚微米结构的Zr60Ta40/Ti85Mo15层状复合板；

[0070] ⑥制作第二包套板坯，其中，第二包套板坯所用的第二包套包括两端折弯的上铁板和两端折弯的下铁板(见图2)，第二包套的侧面设有用于透气的方孔，上下铁板选用商用纯铁，包括：首先将100块具有亚微米结构的Zr60Ta40/Ti85Mo15层状复合板进行堆垛，接着在与第二包套上下铁板接触的两块Zr60Ta40/Ti85Mo15层状复合板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑，并将堆垛好的Zr60Ta40/Ti85Mo15层状复合板放入下铁板内，然后将上铁板和下铁板通过氩弧焊的方式焊合，并通过第二包套预留的方孔对第二包套进行抽真空处理(真空度为1.5Pa)，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到第二包套板坯；

[0071] ⑦利用箱式电阻炉将第二包套板坯加热到750℃并保温20min，完成挤压前预热；将预热后的第二包套板坯在600吨卧式挤压机上以15mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对第二包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在525℃，挤压比为0.4；

[0072] ⑧将挤压后的第二包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为600℃，保温20min；加热完成后将第二包套板坯放入轧机进行5个道次的轧制，单道次变形量依次为
65％，55％，55％，45％及35％，轧制总变形量不低于97％；

[0073] ⑨在轧制完成后去除包裹在复合板外面的包套，并对复合板进行酸洗和/或酒精超声清洗，然后对其在640℃进行20min的再结晶退火，从而得到Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基(Zr60Ta40/Ti85Mo15)复合材料。

[0074] (3)合金检测

[0075] 采用高能X射线同步辐射(HE‑SXRD)分析了Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基(Zr60Ta40/Ti85Mo15)复合材料的相组成，同步辐射测试使用美国阿贡国家实验室(Argonne 2
National Laboratory)的11‑1D‑C线站光源，实验光斑大小为0.6×0.6mm ，波长为图6为本实施例的Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料的高能X射线衍射图谱。可以看到，图中所有的衍射峰均来自于BCC相，这表明Zr60Ta40/Ti85Mo15复合材料在整体上呈现单一的BCC结构。

[0076] 利用FEI Nova Nano 450场发射扫描电子显微镜观察了Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基(Zr60Ta40/Ti85Mo15)复合材料的横截面形貌，试验前依次对样品进行镶嵌、打磨和抛光处理。图7为本实施例的Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料的横截面扫描电镜照片。从中可以看到，Zr60Ta40/Ti85Mo15复合材料由Zr60Ta40纳米片(图中的亮带)和Ti85Mo15基体(图中的暗区)构成，呈现典型的层状复合结构。其中，Zr60Ta40纳米片的平均厚度为119nm，Zr60Ta40纳米片在Zr60Ta40/Ti85Mo15复合材料中所占的体积分数为19％。此外，还可以看到，Zr60Ta40纳米片和Ti85Mo15基体的界面处不存在任何的共晶或析出等不利反应，形成了良好的冶金结合。

[0077] 在Instron‑8801型拉伸试验机上对Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基(Zr60Ta40/Ti85Mo15)复合材料进行了室温拉伸试验，所用拉伸试样是沿Zr60Ta40/Ti85Mo15复合材料的原始轧制方向切割下来的标准“狗骨头状”试样，其标距为25mm，试验前需要将拉伸试样的表面和截面进行打磨以去除氧化皮和切割痕，试验过程中通过电子引伸计测量拉伸过程中试‑3 ‑1样的应变值，应变速率为1×10 s 。图8为本实施例的Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料在拉伸过程中的应力‑应变曲线。可以看到，Zr60Ta40/Ti85Mo15复合材料的屈服强度为
1020MPa，拉伸强度为1452MPa，延伸率为22％，拉伸强度·延伸率积高达31.9GPa·％。这表明Zr60Ta40/Ti85Mo15复合材料实现了高屈服强度、高拉伸强度和大延伸率的良好匹配。

[0078] 通过以上测试和表征，可以发现本实施例的Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料在保持单一BCC结构的前提下，实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配，可望在生物医用及先进工业等高技术领域获得重要应用。本实施例的Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料与现有的β型钛合金的性能对比如表2所示：

[0079] 表2

[0080]

[0081] 由表2可知，与现有的具有单一BCC结构的β型钛合金相比，本实施例的Zr60Ta40纳米片增强Ti85Mo15基复合材料不仅具有更高的屈服强度和拉伸强度，还具有更大的延伸率和拉伸强度·延伸率积，在BCC结构中实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配。

[0082] 实施例3：

[0083] 操作步骤包括：

[0084] (1)原材料选用，包括：

[0085] 增强材料：选用Zr50Ta50(wt.％)合金；

[0086] 基体材料：选用Ti80Mo20(wt.％)合金。

[0087] (2)Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料的制备，包括：

[0088] ①采用线切割和/或机加工的方法从Zr50Ta50合金和Ti80Mo20合金上分别切下尺寸为140mm×70mm×0.5mm的Zr50Ta50和尺寸为140mm×70mm×1.5mm的Ti80Mo20原材料板材，并通过对两种原材料板材进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面(无污浊或表面氧化皮)的Zr50Ta50和Ti80Mo20板材；

[0089] ②包套板坯制作，其中，包套板坯所用的包套包括两端折弯的上钛板和两端折弯的下钛板(见图2)，包套的侧面设有用于透气的方孔，上下钛板选用商用纯钛，包括：首先将Ti80Mo20板和Zr50Ta50板按照Ti80Mo20/Zr50Ta50/Ti80Mo20/Zr50Ta50……Ti80Mo20/Zr50Ta50/Ti80Mo20的顺序交替堆叠(堆垛示意图如图1所示)，共堆叠21层，接着在与包套上下钛板接触的两块Ti80Mo20板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑，再将堆叠好的Ti80Mo20板和Zr50Ta50板放入下钛板内，然后将上钛板和下钛板通过氩弧焊的方式焊合，并通过包套预留的方孔对包套进行抽真空处理(真空度为1Pa)，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到包套板坯；

[0090] ③利用箱式电阻炉将包套板坯加热到700℃并保温30min，完成挤压前预热；将预热后的包套板坯在600吨卧式挤压机上以25mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在500℃，挤压比为0.5；

[0091] ④将挤压后的包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为600℃，保温30min；加热完成后将包套板坯放入轧机进行3个道次的轧制，单道次变形量依次为70％，65％及55％，轧制总变形量不低于95％；轧制完成后去除包裹在堆叠的Ti80Mo20板和Zr50Ta50板外面的包套，并对堆叠的Ti80Mo20板和Zr50Ta50板进行酸洗和/或酒精超声清洗，得到Zr50Ta50微米片增强Ti80Mo20层状复合板，即具有亚微米结构的Zr50Ta50/Ti80Mo20层状复合板；

[0092] ⑤采用线切割和/或机加工的方法从经上述步骤获得的具有亚微米结构的Zr50Ta50/Ti80Mo20层状复合板上切割原材料板材，并通过对其进行机械打磨和超声清洗的方式获得具有新鲜表面(无污浊或表面氧化皮)的具有亚微米结构的Zr50Ta50/Ti80Mo20层状复合板；

[0093] ⑥制作第二包套板坯，其中，第二包套板坯所用的第二包套包括两端折弯的上铁板和两端折弯的下铁板(见图2)，第二包套的侧面设有用于透气的方孔，上下铁板选用商用纯铁，包括：首先将120块具有亚微米结构的Zr50Ta50/Ti80Mo20层状复合板进行堆垛，接着在与第二包套上下铁板接触的两块Zr50Ta50/Ti80Mo20层状复合板的表面涂抹玻璃润滑剂进行润滑，并将堆垛好的Zr50Ta50/Ti80Mo20层状复合板放入下铁板内，然后将上铁板和下铁板通过氩弧焊的方式焊合，并通过第二包套预留的方孔对第二包套进行抽真空处理(真空度为2Pa)，最后采用高温真空封泥将方孔密封，得到第二包套板坯；

[0094] ⑦利用箱式电阻炉将第二包套板坯加热到800℃并保温30min，完成挤压前预热；将预热后的第二包套板坯在600吨卧式挤压机上以20mm/s的速度进行挤压变形；挤压过程中通过安装在挤压筒衬套中的电感应加热器对第二包套板坯进行加热保温，挤压温度控制在550℃，挤压比为0.5；

[0095] ⑧将挤压后的第二包套板坯置于箱式电阻炉中加热，加热温度为650℃，保温30min；加热完成后将第二包套板坯放入轧机进行5个道次的轧制，单道次变形量依次为
70％，60％，60％，50％及40％，轧制总变形量不低于98％；

[0096] ⑨在轧制完成后去除包裹在复合板外面的包套，并对复合板进行酸洗和/或酒精超声清洗，然后对其在675℃进行30min的再结晶退火，从而得到Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基(Zr50Ta50/Ti80Mo20)复合材料。

[0097] (3)合金检测

[0098] 采用高能X射线同步辐射(HE‑SXRD)分析了Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基(Zr50Ta50/Ti80Mo20)复合材料的相组成，同步辐射测试使用美国阿贡国家实验室(Argonne 2
National Laboratory)的11‑1D‑C线站光源，实验光斑大小为0.4×0.4mm ，波长为图9为本实施例的Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料的高能X射线衍射图谱。可以看到，图中所有的衍射峰均来自于BCC相，这表明Zr50Ta50/Ti80Mo20复合材料在整体上呈现单一的BCC结构。

[0099] 利用FEI Nova Nano 450场发射扫描电子显微镜观察了Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基(Zr50Ta50/Ti80Mo20)复合材料的横截面形貌，试验前依次对样品进行镶嵌、打磨和抛光处理。图10为本实施例的Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料的横截面扫描电镜照片。从中可以看到，Zr50Ta50/Ti80Mo20复合材料由Zr50Ta50纳米片(图中的亮带)和Ti80Mo20基体(图中的暗区)构成，呈现典型的层状复合结构。其中，Zr50Ta50纳米片的平均厚度为93nm，Zr50Ta50纳米片在Zr50Ta50/Ti80Mo20复合材料中所占的体积分数为22％。此外，还可以看到，Zr50Ta50纳米片和Ti80Mo20基体的界面处不存在任何的共晶或析出等不利反应，形成了良好的冶金结合。

[0100] 在Instron‑8801型拉伸试验机上对Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基(Zr50Ta50/Ti80Mo20)复合材料进行了室温拉伸试验，所用拉伸试样是沿Zr50Ta50/Ti80Mo20复合材料的原始轧制方向切割下来的标准“狗骨头状”试样，其标距为25mm，试验前需要将拉伸试样的表面和截面进行打磨以去除氧化皮和切割痕，试验过程中通过电子引伸计测量拉伸过程中试‑3 ‑1样的应变值，应变速率为1×10 s 。图11为本实施例的Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料在拉伸过程中的应力‑应变曲线。可以看到，Zr50Ta50/Ti80Mo20复合材料的屈服强度为
1023MPa，拉伸强度为1428MPa，延伸率为28％，拉伸强度·延伸率积高达40.0GPa·％。这表明Zr50Ta50/Ti80Mo20复合材料实现了高屈服强度、高拉伸强度和大延伸率的良好匹配。

[0101] 通过以上测试和表征，可以发现本实施例的Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料在保持单一BCC结构的前提下，实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配，可望在生物医用及先进工业等高技术领域获得重要应用。本实施例的Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料与现有的β型钛合金的性能对比如表3所示：

[0102] 表3

[0103]

[0104] 由表3可知，与现有的具有单一BCC结构的β型钛合金相比，本实施例的Zr50Ta50纳米片增强Ti80Mo20基复合材料不仅具有更高的屈服强度和拉伸强度，还具有更大的延伸率和拉伸强度·延伸率积，在BCC结构中实现了高强度(包括高屈服强度和高拉伸强度)和大延伸率的良好匹配。

[0105] 参考文献：

[0106] [1]W.J.Weng,A.Biesiekierski,J.X.Lin,S.Ozan,Y.C.Li,C.Wen,Development of beta‑type Ti‑Nb‑Zr‑Mo alloys for orthopedic applications,Applied Materials Today 22(2021)100968.

[0107] [2]A.Ramarolahy,P.Castany,T.Gloriant,F.Prima,P.Laheurte,A.Eberhardt,E.Patoor,Synthesis and characterisation of new superelastic and low elastic modulus Ti‑Nb‑X alloys for biomedical application,Advanced Materials Research 409(2012)170‑174.

[0108] [3]J.I.Qazi,B.Marquardt,H.J.Rack,High‑strength metastable beta‑titanium alloys for biomedical applications,JOM 56(2004)49‑51.

[0109] [4]M.Geetha,A.K.Singh,R.Asokamani,A.K.Gogia,Ti based biomaterials,the ultimate choice for orthopaedic implants‑A review,Progress in Materials Science 54(2009)397‑425.

[0110] [5]C.J.Cowen,C.J.Boehlert,The microstructure,creep,and tensile behavior for Ti‑5Al‑45Nb(atomic percent)fully‑βalloy,Metallurgical and Materials Transactions A 38(2007)2747‑2753.

[0111] [6]V.D.Cojocaru,A.Nocivin,C.Trisca‑Rusu,A.Dan,R.Irimescu,D.Raducanu,B.M.Galbinasu,Improving the mechanical properties of aβ‑type Ti‑Nb‑Zr‑Fe‑O alloy,Metals 10(2020)1491.