本發(fā)明涉及粉末冶金鈦合金的，特別是指一種基于高氧粉末制備高強(qiáng)韌鈦合金的方法。

背景技術(shù)：

1、鈦合金因其優(yōu)異的機(jī)械性能和耐腐蝕性，在航空航天、醫(yī)療器械和汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，鈦合金對氧含量的敏感性，通常被認(rèn)為是制備高性能鈦合金的關(guān)鍵限制因素。傳統(tǒng)上，氧含量超過0.33wt.%會(huì)導(dǎo)致材料的脆性增加，降低延展性，限制了鈦合金在高強(qiáng)度和高韌性應(yīng)用中的潛力。然而，氧作為一種間隙強(qiáng)化元素，實(shí)際上能夠在鈦合金中起到顯著的強(qiáng)化作用。如何利用高氧含量鈦粉末制備高強(qiáng)度、高韌性的鈦合金，成為當(dāng)前亟待突破的技術(shù)難題。

2、現(xiàn)有技術(shù)在解決鈦合金的高氧含量問題時(shí)，通常采用以下方法：首先，通過使用低氧含量的鈦粉末或在熔煉過程中采用真空脫氧技術(shù)來降低氧含量，以改善鈦合金的延展性。這種方法雖能一定程度上降低材料的脆性，但往往需要高成本的工藝控制，且降低氧含量可能會(huì)犧牲材料的固溶強(qiáng)化效果，影響鈦合金的強(qiáng)度。其次，通過添加如鈣、鎂、釔等脫氧元素，這些元素能與氧形成穩(wěn)定化合物，從而抑制鈦合金的脆性?；蛘呷缰袊鴮＠鹀n118222882a通過鈦合金粉末與中高熵合金粉末混合激光熔融經(jīng)過熱處理制備。然而，這些方法增加了生產(chǎn)成本，可能引入的氧化物會(huì)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，從而可能引起力學(xué)性能的波動(dòng)。

3、還有采用多次低溫鍛造來降低氧化物夾雜對材料塑性的影響，盡管這種方法可以減少由氧引起的微裂紋風(fēng)險(xiǎn)，但生產(chǎn)效率低，成本高，且不易保證產(chǎn)品一致性。還有通過添加如鐵、銅、鉻等強(qiáng)化合金元素來補(bǔ)償高氧含量帶來的延展性損失。然而，這不僅增加了合金成分的復(fù)雜度，也需要復(fù)雜的相變和微觀結(jié)構(gòu)控制，同樣增加了工藝難度和成本。

4、此外，中國專利cn112725713a公開了一種高強(qiáng)度、高塑性的粉末冶金鈦合金及其加工方法，采用粉末冶金法制備的錠坯氧含量并沒有超過0.4wt%，雖然通過三鐓三拔開坯鍛造、三鐓三拔鍛造、棒材軋制和退火熱處理能夠獲得一種提高強(qiáng)度、塑性、韌性的非均質(zhì)層狀多級第二相組織，但是鍛造過程中容易出現(xiàn)裂紋，鍛造的成本高，效率低。

5、中國專利cn111360276a中的高氧tc4鈦合金粉末的氧含量并不高，低于0.4wt%，且稀土元素的加入會(huì)增大材料的制備成本，所制備材料的力學(xué)性能并不高，延伸率較高，不能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)度、塑性、韌性的協(xié)同提高。

6、中國專利cn114752818a中通過鈦合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)增韌納米結(jié)構(gòu)鋁合金復(fù)合材料，需要先制備點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，后將鋁基非晶合金粉末置于鈦合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的孔隙中，冷壓成型，熱擠壓，獲得復(fù)合材料；需要制備鈦合金點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)鋁合金，這會(huì)導(dǎo)致成本高，后續(xù)的鋁基非晶合金粉末如何添加到孔隙中會(huì)影響到最終性能，成分和性能分布很難均勻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中限制在于鈦合金由于氧敏感性造成材料塑性差、脆斷、氧容忍度低、服役壽命低及殘鈦回收利用難，主要通過降低氧含量或引入特定合金元素、多重鍛造、熱變形、熱處理、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)來避免氧的負(fù)面影響，這些方法往往導(dǎo)致成本高昂、工藝復(fù)雜且性能不穩(wěn)定，而且并未考慮如何充分利用氧作為間隙強(qiáng)化元素的潛力等技術(shù)問題；本發(fā)明提出了能夠解決前述問題的一種基于高氧粉末制備高強(qiáng)韌鈦合金的方法。所述技術(shù)方案如下：

2、一種基于高氧粉末制備高強(qiáng)韌鈦合金的方法，所述基于高氧粉末制備高強(qiáng)韌鈦合金的方法如下步驟：

3、s1、混合氧化介質(zhì)的制備：采用高精度氣體混合儀精確控制氧氣和氬氣的比例進(jìn)行混合，得到混合氧化介質(zhì)；

4、s2、混合氧化介質(zhì)的氧化：將市售的氫化脫氫tc4鈦合金粉置于旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐中，抽真空，隨后升溫，再通入s1混合氧化介質(zhì)，控制氧化時(shí)間，并緩慢旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐，氧化結(jié)束后，停止通入氧化介質(zhì)，隨爐冷卻至室溫，獲得高氧tc4鈦合金粉；

5、s3、鈦合金壓坯的冷等靜壓成形：將s2中高氧tc4鈦合金粉裝入冷等靜壓成形包套中，通過振動(dòng)法振實(shí)包套中的鈦合金粉末，再使用真空密封設(shè)備對包套進(jìn)行密封處理，將密封后的包套置于冷等靜壓設(shè)備中，逐漸增加壓力至所需壓力并保壓，脫模后，獲得高氧tc4鈦合金壓坯；

6、s4、鈦合金燒結(jié)坯的真空燒結(jié)制備：將s4中氧tc4鈦合金壓坯放入真空燒結(jié)爐進(jìn)行真空燒結(jié)，控制真空度和燒結(jié)溫度，燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫后，獲得高氧tc4鈦合金燒結(jié)坯；

7、s5、鈦合金燒結(jié)坯的熱加工變形：將s4中高氧tc4鈦合金燒結(jié)坯放置在電阻加熱爐中，在t1下保溫1-3h，隨后取出并采用鍛造、擠壓或軋制進(jìn)行熱加工變形，獲得tc4鈦合金；

8、s6、tc4鈦合金的循環(huán)熱變形：對s5中tc4鈦合金重復(fù)多道次進(jìn)行s5的熱加工變形，每一道次的加熱溫度tn比上一道次的加熱溫度tn-1低，最終獲得細(xì)晶tc4鈦合金；

9、s7、細(xì)晶tc4鈦合金的一次固溶處理：對s6中細(xì)晶tc4鈦合金進(jìn)行一次固溶處理，隨后直接水冷，得到一次固溶高氧tc4鈦合金；

10、s8、高氧tc4鈦合金的多次循環(huán)固溶處理：對s7中一次固溶高氧tc4鈦合金進(jìn)行s7的多次循環(huán)熱處理，得到多次循環(huán)高氧tc4鈦合金；

11、s9、多次循環(huán)高氧tc4鈦合金的時(shí)效處理：對s8中多次循環(huán)高氧tc4鈦合金進(jìn)行時(shí)效處理，空冷后獲得高強(qiáng)韌的高氧tc4鈦合金。

12、可選地，s1中氧氣和氬氣的比例為1：5-1：9。

13、可選地，s2中市售的氫化脫氫tc4鈦合金粉的粒徑為0-20μm，抽真空至1pa以下，隨后升溫至500-700℃，氧化時(shí)間控制在30-90min，并以5-30rpm的低速緩慢旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐，高氧tc4鈦合金粉的粉末氧含量≥0.4wt.%且≤1.2wt.%。

14、可選地，s3中所需壓力為150-250mpa，保壓時(shí)間為30-200s，高氧tc4鈦合金壓坯的形狀根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)決定，為板坯、板坯、管坯或異形坯。

15、可選地，s4中真空燒結(jié)的真空度為10-1-10-3pa，燒結(jié)溫度為1050-1200℃，保溫時(shí)間為2-6h。

16、可選地，s5中t1為1100-1250℃，熱加工變形的變形量為70-90%，tc4鈦合金的熱加工工藝及形狀根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品決定。

17、可選地，s6中重復(fù)多道次進(jìn)行s5的熱加工變形的多道次為2-5道次，是在tn下保溫30min，tn=tn-1-t0，n=2，3，4，5，tn≥900℃，t0為50-100℃；且加熱溫度比上一道次的加熱溫度低50-100℃，熱加工變形的變形量為70-90%，其熱加工道次根據(jù)tc4鈦合金最大晶粒尺寸決定，細(xì)晶tc4鈦合金的最大晶粒尺寸≤10μm；tc4鈦合金的氧含量＞0.4wt.%且＜1.4wt.%。

18、可選地，s7中一次固溶處理的溫度為920-1020℃，保溫時(shí)間為5-30min。

19、可選地，s8中s7的多次循環(huán)熱處理的循環(huán)道次為2-10次，循環(huán)道次根據(jù)鈦合金氧含量決定；氧含量＞0.8wt.%時(shí)，循環(huán)道次≥6次。

20、可選地，s9中時(shí)效處理的溫度為480-620℃，時(shí)效時(shí)間為3-10h，高強(qiáng)韌的高氧tc4鈦合金的氧含量＞0.4wt.%且＜1.4wt.%，致密度為99.9-100%，抗拉強(qiáng)度≥1350mpa，屈服強(qiáng)度≥1250mpa，屈強(qiáng)比＞0.9，延伸率≥7%。

21、可選地，s1-s9中所述的方法，不限于高氧tc4合金制備，還適用于其他α、α+β系鈦合金及其廢料回收利用。

22、本發(fā)明的技術(shù)原理：

23、現(xiàn)有避免氧脆性的方法一般是通過添加ca、mg、re等合金元素，高溫固氧或高成本降低鈦基體中的氧含量，但效果有限，存在工藝復(fù)雜、成本高并且無法保證產(chǎn)品性能等技術(shù)缺陷。

24、本發(fā)明提出了一種基于熱機(jī)械處理、熱處理和氧元素調(diào)控實(shí)現(xiàn)高氧、高強(qiáng)、高韌鈦合金的制備新方法，通過人為引入并充分利用間隙氧的優(yōu)異特性，實(shí)現(xiàn)氧在鈦合金中的有效分布和強(qiáng)化作用，高氧tc4鈦合金達(dá)到高強(qiáng)與高塑性匹配，其抗拉強(qiáng)度≥1350mpa，延伸率≥7%。與傳統(tǒng)工藝相比。

25、本發(fā)明通過循環(huán)熱機(jī)械處理與循環(huán)熱處理，精確調(diào)控氧元素，實(shí)現(xiàn)對鈦合金的固溶強(qiáng)化，在確保材料強(qiáng)塑性的前提下，解決了傳統(tǒng)鈦合金制備過程中氧去除成本高、工藝復(fù)雜以及氧脆問題，最終制備出的鈦合金材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度（≥1350mpa）和良好的塑性（延展率≥7%）。

26、本發(fā)明提出采用高精度氣體混合儀，將氧氣與氬氣以準(zhǔn)確的比例混合，確保氧氣濃度的準(zhǔn)確性與均勻性，混合后的氧氣-氬氣介質(zhì)通入旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐中，均勻的高氧粉末有利于后續(xù)工藝氧調(diào)控實(shí)現(xiàn)鈦合金的強(qiáng)塑性匹配，降低氧的敏感性，這與傳統(tǒng)工藝方法存在本質(zhì)區(qū)別。

27、本發(fā)明采用循環(huán)高溫?zé)峒庸ぷ冃渭夹g(shù)實(shí)現(xiàn)高氧鈦合金燒結(jié)坯的加工變形。

28、本發(fā)明通過循環(huán)高溫?zé)峒庸ぜ夹g(shù)實(shí)現(xiàn)對高氧鈦合金燒結(jié)坯的有效加工，采用逐次遞減的熱加工溫度策略實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。每道次熱變形后的加工溫度相較于前一道次有所降低，從而避免回復(fù)再結(jié)晶造成的晶粒異常長大，并逐步減少晶粒內(nèi)部的流動(dòng)，提高形變儲(chǔ)存能。同時(shí)，該工藝促進(jìn)了再結(jié)晶過程，有效調(diào)整晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。本發(fā)明通過縮短保溫時(shí)間，在保持足夠流變抗力降低的前提下，進(jìn)一步防止了晶粒長大。

29、本發(fā)明根據(jù)間隙氧含量設(shè)計(jì)循環(huán)固溶熱處理工藝，優(yōu)化調(diào)控鈦合金的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，通過將氧元素與位錯(cuò)相結(jié)合，誘導(dǎo)其作為形核點(diǎn)，產(chǎn)生多功能馬氏體結(jié)構(gòu)，利用納米孿晶馬氏體、馬氏體孿生共同釋放變形過程的應(yīng)力。

30、本發(fā)明提出循環(huán)固溶+水冷處理，設(shè)計(jì)出tc4多功能馬氏體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，α相在周圍多功能馬氏體的應(yīng)力刺激與本身高氧含量的刺激下，促進(jìn)hcp-fcc相變，保證了材料的高塑性，實(shí)現(xiàn)了高氧高強(qiáng)韌鈦合金的制備。

31、本方法無需額外添加fe、cu、cr、mo、zr、nb、ta等合金元素，通過充分利用鈦合金粉中的高氧含量，基于氧元素精細(xì)調(diào)控，避免了氧引起的脆性問題，實(shí)現(xiàn)了對鈦合金強(qiáng)韌性的有效提升。

32、本發(fā)明通過循環(huán)熱處理結(jié)合后續(xù)的時(shí)效處理，獲得的高氧tc4合金成分均勻、組織致密、晶粒細(xì)小，并將氧元素用于誘導(dǎo)形成多功能馬氏體實(shí)現(xiàn)高塑性控制，且充分利用氧元素的固溶強(qiáng)化作用，最終獲得高強(qiáng)韌的高氧tc4鈦合金，抗拉強(qiáng)度≥1350mpa，延伸率≥7%，表現(xiàn)出卓越的機(jī)械性能。

33、本發(fā)明打破了鈦合金對氧含量的容忍度，將其氧含量從0.3wt.%提高至1.4wt.%，顯著增強(qiáng)了合金的比強(qiáng)度，拓寬了鈦合金在航空航天、高性能裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，為鈦合金的高強(qiáng)韌化提供了新的技術(shù)路徑。

34、本發(fā)明不限于高氧tc4合金的氧容忍度提升，還適用于ti-2.5cu、ti-5al-2.5sn、ti-6al-2nb-1ta-0.8mo、ti-10v-2fe-3al和ti-15mo-3nb-3al等其他α、α+β系列鈦合金強(qiáng)韌性和氧容忍度的提升。

35、總之，本發(fā)明提出的高氧鈦合金結(jié)合循環(huán)高溫?zé)嶙冃渭夹g(shù)與熱處理，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)韌高氧tc4鈦合金的制備。通過多次熱機(jī)械處理與循環(huán)固溶處理和高效時(shí)效處理，實(shí)現(xiàn)高氧tc4鈦合金的氧元素調(diào)控，擴(kuò)大了鈦合金對氧含量的容忍度，靈活度高、操作簡單、適用廣泛，適合鈦合金的低成本高效率工業(yè)化生產(chǎn)。

36、上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比至少具有如下有益效果：

37、上述方案，本發(fā)明提出了一種基于高氧粉末制備高強(qiáng)韌鈦合金的方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中限制在于鈦合金由于氧敏感性造成材料塑性差、脆斷、氧容忍度低、服役壽命低及殘鈦回收利用難，主要通過降低氧含量或引入特定合金元素、多重鍛造、熱變形、熱處理、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)來避免氧的負(fù)面影響，這些方法往往導(dǎo)致成本高昂、工藝復(fù)雜且性能不穩(wěn)定，而且并未考慮如何充分利用氧作為間隙強(qiáng)化元素的潛力等技術(shù)問題。

38、本發(fā)明通過創(chuàng)新的工藝設(shè)計(jì)，本發(fā)明顯著提升了鈦合金對氧元素的容忍度，極大地降低了鈦基體固有的氧敏感性、氧脆性，顯著提升了鈦合金的強(qiáng)度和比強(qiáng)度，工業(yè)適用性強(qiáng)。

39、本發(fā)明通過低速緩慢旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐確保氧化介質(zhì)能夠均勻分布，以提供穩(wěn)定的氧化環(huán)境，避免粉末因?yàn)榫植垦趸^渡造成的脆性。

40、本發(fā)明通過多次熱變形避免了局部變形不均勻與過大的變形量造成的內(nèi)部裂紋等技術(shù)缺陷，并利用多次變形引入豐富的位錯(cuò)，以實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)釘扎，顯著增強(qiáng)鈦合金的強(qiáng)度和韌性。

41、本發(fā)明通過循環(huán)高溫?zé)峒庸ぁ⒚康来螣嶙冃魏蟮募庸囟缺惹耙坏来蔚?、縮短保溫時(shí)間等手段確保了晶粒細(xì)化效果，從而實(shí)現(xiàn)了晶粒尺寸≤10μm的顯著細(xì)晶強(qiáng)化效果，保證了高氧鈦合金的高強(qiáng)高韌性。

42、本發(fā)明通過設(shè)計(jì)循環(huán)固溶熱處理工藝、優(yōu)化成分和微觀結(jié)構(gòu)，有效避免了高氧脆性并極大程度利用其固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)，大幅度度增加鈦合金強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了鈦合金強(qiáng)度和塑性協(xié)同提升，確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。

43、此外，本發(fā)明將鈦合金中氧的容忍極限由傳統(tǒng)tc4的0.3wt.%提升至1.4wt.%，有效降低了高氧鈦合金的利用難度，為鈦合金強(qiáng)化、鈦粉回收、粉末冶金、注射成形等鈦合金制造領(lǐng)域提供了更廣闊的應(yīng)用前景，極大拓展了高氧鈦合金在實(shí)際工程應(yīng)用中的價(jià)值和潛力。

44、總之，本發(fā)明方法相對于其他傳統(tǒng)方法，無需額外添加fe、cu、cr、mo、zr、nb、ta、y等合金元素，通過對高氧含量的充分利用并結(jié)合多步循環(huán)工藝與熱處理，實(shí)現(xiàn)了將中強(qiáng)度的高氧tc4鈦合金的抗拉強(qiáng)度從（≤1200mpa）顯著提升至高強(qiáng)度范圍（≥1350mpa）；方法簡單易操作，擴(kuò)大了鈦合金對氧含量的容忍度，靈活度高、操作簡單、適用廣泛，利于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)和推廣。