一种钛钼铌合金及其制备方法与流程

1.本发明属于粉末冶金技术领域，涉及一种用于中子衍射领域的钛钼铌合金中子透明材料，尤其涉及一种通过粉末冶金工艺制备所述钛钼铌合金的方法，获得在中子衍射实验中无特征衍射峰的钛钼铌合金；另外由于其低弹性模量的特征，亦可用作生物植入材料。


背景技术：

2.高压作为一个极端条件，会引发众多常压条件下无法产生的物理化学现象，这是新材料的研究与制备的重要源泉，可以发展新材料、探索新现象、发展新理论。中子衍射通常指德布罗意波长为约1埃左右的中子(热中子)通过晶态物质时发生的布拉格衍射，比x射线衍射有着更强的穿透性和磁矩。目前，中子衍射方法是研究物质结构的重要手段之一。
3.高压条件下的中子衍射实验把材料结构、行为等的研究推向新的高度，是在复杂化合物的结构和动力学研究中的强有力的手段。高压原位中子衍射实验可以提供独特的材料表征手段，用以研究结构相变、高压状态方程、强度及弹性模量、织构等。目前，高压中子衍射技术的发展使得材料科学在晶体结构、点阵动力学、织构等研究中取得了许多令人瞩目的成果。
4.对中子没有散射的材料称为中子透明材料，即中子束可以完全透过该材料。只有散射的共格部分对衍射有贡献，由于散射还有非共格的部分，这种中子透明材料对中子并不是完全透明的，会有一些均匀的吸收背景，但不会有衍射花纹出现。
5.目前，科学界广泛使用的中子透明材料为美国于1956年提出的ti
‑
zr合金材料，研究表明将ti
‑
zr合金作为高压中子衍射的封垫在高压下强度太低，不能支持高压力，在高压下情况下，厚度变得很薄，能够容纳样品的数量很少，给中子衍射带来困难，且ti
‑
zr合金附着力强，易附着在金刚石台面上，极不易清理，甚至造成金刚石压砧的破坏。中国专利zl201510998659.5设计了一种新型的钼钛合金，具有比ti
‑
zr合金高的强度，能够提高高压腔体的压力，增多高压实验样品数量；并且对金刚石的粘附很低，高压实验后容易清洁金刚石压砧，能够延长金刚石压砧的使用寿命，降低高压实验的成本。但单纯的钼钛合金对中子吸收稍大，并且塑性较低，限制了其在高压中子衍射领域的应用范围。
6.综上所述，现需研发一种新型中子透明材料，兼具有优秀的综合力学性能与中子衍射性能，不仅可以应用于样品腔封垫，亦可应用于整个高压装置。


技术实现要素：

7.为克服现有中子透明材料的不足，本发明提供了一种新型钛钼铌合金中子透明材料及其制备方法。
8.在本发明中，首先要找到原子的中子相干散射长度值为负值的元素并搭配合适的相干散射长度值为正值的元素，使之相互抵消。并且考虑元素对中子的吸收要小，考虑到合金的强度和塑性以及组织的均一性，从而优选出元素ti、mo和nb。
9.基于以上原理，本发明首先提供一种新型钛钼铌合金，所述钛钼铌合金的成分：钼
20～45wt％，铌5～30wt％，其余为钛；所述钛钼铌合金的组织为β
‑
ti，压缩强度为1850
‑
2000mpa，塑性变形10
‑
15％，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，应用于中子衍射相关领域。
10.进一步，所述优选钛钼铌合金的成分为：钼25～35wt％，铌15～25wt％，其余为钛。
11.进一步，所述钛钼铌合金的压缩弹性模量为22
‑
32gpa，与人体骨相当，可作为生物植入材料应用于医疗领域。
12.本发明还涉及一种所述钛钼铌合金的制备方法，包括如下步骤：
13.(1)按照如上所述的钛钼铌合金成分，其中将ti的质量折算成tih2的质量，以tih2粉末、mo粉和nb粉作为原料，分别称重后混合均匀得到混合粉；
14.(2)将步骤(1)得到的混合粉冷等静压成形，得到生坯；
15.(3)将步骤(2)得到的生坯在真空炉中烧结，得到烧结钛钼铌合金；
16.(4)将步骤(3)得到的烧结钛钼铌合金进行固溶和淬火处理，得到钛钼铌合金成品。
17.进一步，在步骤(3)中烧结温度为烧结温度为1400
‑
1600℃，烧结时间为1
‑
3h，真空度≤1.33
×
10
‑1pa。
18.进一步，在步骤(4)中固溶温度为1000～1200℃，保温1h，然后油淬冷却。
19.进一步，在步骤(3)与步骤(4)之间对钛钼铌合金进行锻造处理，锻造温度1250
‑
1350℃，经过锻造后所述钛钼铌合金的压缩强度达到2000
‑
2200mpa，塑性变形保持10
‑
15％。
20.本发明与现有技术相比的优势在于：
21.(1)本发明钛钼铌合金选用钼和铌为合金元素，在保持较高强度的同时明显提高塑性，其显微组织为单一β
‑
ti相，满足中子透明材料的设计要求，中子衍射实验无特征衍射峰出现，并且铌比钼对中子吸收更低。
22.(2)本发明钛钼铌合金与现有技术相比，其弹性模量与人骨相当，适于作生物植入材料。
23.(3)本发明钛钼铌合金的制备方法与现有技术相比，采用氢化钛粉代替了钛粉，降低氧含量，更加容易消除α
‑
ti，再通过固溶和淬火处理保证得到全部β
‑
ti相的显微组织，并且降低成本。
24.(4)通过锻造处理，得到强度和塑性都很高的钛钼铌合金。
附图说明
25.图1为现有技术钛钼合金中子透明材料的显微组织；
26.图2为现有技术钛钼合金中子透明材料的中子衍射图；
27.图3为本发明钛钼铌合金中子透明材料的显微组织；
28.图4为本发明钛钼铌合金中子透明材料的中子衍射图。
具体实施方式
29.ti、mo、nb元素的中子散射长度分别为
‑
3.438、6.715、7.054，通过各含量加权之和可以得到衍射为零的中子透明材料，避免衍射信号对中子衍射实验有用信号的干扰。ti、
mo、nb元素的中子吸收截面分别为6.09、2.55、1.15，nb元素对中子吸收小，能减小对中子的吸收，有利于中子直接透过，在中子衍射时获得较强的信号。
30.本发明钛钼铌合金与中国专利zl201510998659.5所述钛钼合金中子材料相比，在钛钼合金中子透明材料的基础上，新添加了铌元素。铌元素的添加还会导致β
‑
ti合金晶粒的细化，提高合金性能；钛钼铌合金中子材料的压缩强度为1850
‑
2000mpa，与钛钼合金中子材料相比，压缩强度略有下降，但是铌元素的添加极大的提高了钛钼铌合金的塑性，从钛钼合金的3～5％提高到了塑性变形10
‑
15％；铌元素的添加会降低合金的弹性模量，钛钼合金中子材料的压缩弹性模量为35
‑
50gpa，而该钛钼铌合金中子材料的压缩弹性模量仅为22
‑
32gpa，达到了与人体骨的弹性模量相当的程度，同时铌元素无毒，可作为生物植入材料应用于医疗领域。
31.本发明钛钼铌合金的制备方法，采用氢化钛粉代替了钛粉。使用氢化钛粉末时，氢在真空加热过程中分解去除，同时激活非均匀粉末系统的扩散控制烧结和化学均匀化。氢还可以洁净钛颗粒的表面，从而大大降低杂质(如o、cl和c)的含量，这些杂质元素中特别是氧，稳定α
‑
ti的元素，从而使α
‑
ti全部转变成β
‑
ti，有利于合金最终成为β
‑
ti单相合金。而现有技术钛钼合金的显微组织中还残存少量α
‑
ti相，如附图1中的条纹区域，这会在中子衍射图上仍会有特征衍射峰出现，虽然其强度很低，如附图2所示。同时，本发明制备方法还增加了固溶和淬火处理，从而进一步保证本发明钛钼铌合金的显微组织全部为β
‑
ti相(如附图3所示)，为单一的bcc晶体结构固溶体，完全避免中子衍射特征峰出现，只剩下衍射背底(如附图4所示)。
32.实施例1
33.(1)将tih2粉、mo粉和nb粉按质量百分比分别为52％、45％、5％称重配料，置于球磨机中球磨混合3小时得到混合粉；
34.(2)将步骤(1)中得到的混合粉装入橡胶包套置入冷等静压机，在压力为200mpa下压实得到生坯；
35.(3)将步骤(2)中得到的生坯置于真空烧结炉烧结，真空度为0.1pa，烧结温度为1400℃，保温时间为3h，得到烧结钛钼铌合金；
36.(4)将步骤(3)得到的钛钼铌合金在1000℃进行固溶处理，保温1h，然后油淬冷却，得到最终的钛钼铌合金，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，压缩强度为1800mpa，塑性变形10％，压缩弹性模量为30gpa，既可作为中子透明材料应用于中子衍射相关领域，也可作为生物植入材料应用于医疗领域。
37.实施例2
38.(1)将tih2粉、mo粉和nb粉按质量百分比分别为52％、40％、10％称重配料，置于球磨机中球磨混合3小时得到混合粉；
39.(2)将步骤(1)中得到的混合粉装入橡胶包套置入冷等静压机，在压力为200mpa下压实得到生坯；
40.(3)将步骤(2)中得到的生坯置于真空烧结炉烧结，真空度为0.1pa，烧结温度为1450℃，保温时间为2h，得到烧结钛钼铌合金；
41.(4)将步骤(3)得到的钛钼铌合金在1050℃进行固溶处理，保温1h，然后油淬冷却，得到最终的钛钼铌合金，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，压缩强度为1850mpa，塑性
变形12％，压缩弹性模量为32gpa，既可作为中子透明材料应用于中子衍射相关领域，也可作为生物植入材料应用于医疗领域。
42.实施例3
43.(1)将tih2粉、mo粉和nb粉按质量百分比分别为52％、35％、15％称重配料，置于球磨机中球磨混合3小时得到混合粉；
44.(2)将步骤(1)中得到的混合粉装入橡胶包套置入冷等静压机，在压力为200mpa下压实得到生坯；
45.(3)将步骤(2)中得到的生坯置于真空烧结炉烧结，真空度为0.1pa，烧结温度为1500℃，保温时间为2h，得到烧结钛钼铌合金；
46.(4)将步骤(3)得到的钛钼铌合金在1100℃进行固溶处理，保温1h，然后油淬冷却，得到最终的钛钼铌合金，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，压缩强度为1900mpa，塑性变形15％，压缩弹性模量为28gpa，既可作为中子透明材料应用于中子衍射相关领域，也可作为生物植入材料应用于医疗领域。
47.实施例4
48.(1)将tih2粉、mo粉和nb粉按质量百分比分别为52％、30％、20％称重配料，置于球磨机中球磨混合3小时得到混合粉；
49.(2)将步骤(1)中得到的混合粉装入橡胶包套置入冷等静压机，在压力为200mpa下压实得到生坯；
50.(3)将步骤(2)中得到的生坯置于真空烧结炉烧结，真空度为0.1pa，烧结温度为1550℃，保温时间为1.5h，得到烧结钛钼铌合金；
51.(4)将步骤(3)得到的钛钼铌合金在1150℃进行固溶处理，保温1h，然后油淬冷却，得到最终的钛钼铌合金，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，压缩强度为2000mpa，塑性变形13％，压缩弹性模量为25gpa，既可作为中子透明材料应用于中子衍射相关领域，也可作为生物植入材料应用于医疗领域。
52.实施例5
53.(1)将tih2粉、mo粉和nb粉按质量百分比分别为52％、25％、25％称重配料，置于球磨机中球磨混合3小时得到混合粉；
54.(2)将步骤(1)中得到的混合粉装入橡胶包套置入冷等静压机，在压力为200mpa下压实得到生坯；
55.(3)将步骤(2)中得到的生坯置于真空烧结炉烧结，真空度为0.1pa，烧结温度为1600℃，保温时间为1h，得到烧结钛钼铌合金；
56.(4)将步骤(3)得到的钛钼铌合金在1200℃进行固溶处理，保温1h，然后油淬冷却，得到最终的钛钼铌合金，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，压缩强度为1900mpa，塑性变形14％，压缩弹性模量为26gpa，既可作为中子透明材料应用于中子衍射相关领域，也可作为生物植入材料应用于医疗领域。
57.实施例6
58.(1)将tih2粉、mo粉和nb粉按质量百分比分别为52％、20％、30％称重配料，置于球磨机中球磨混合3小时得到混合粉；
59.(2)将步骤(1)中得到的混合粉装入橡胶包套置入冷等静压机，在压力为200mpa下
压实得到生坯；
60.(3)将步骤(2)中得到的生坯置于真空烧结炉烧结，真空度为0.1pa，烧结温度为1600℃，保温时间为1h，得到烧结钛钼铌合金；
61.(4)将步骤(3)得到的钛钼铌合金在1200℃进行固溶处理，保温1h，然后油淬冷却，得到最终的钛钼铌合金，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，压缩强度为1850mpa，塑性变形14％，压缩弹性模量为22gpa，既可作为中子透明材料应用于中子衍射相关领域，也可作为生物植入材料应用于医疗领域。
62.实施例7
63.(1)将tih2粉、mo粉和nb粉按质量百分比分别为52％、25％、25％称重配料，置于球磨机中球磨混合3小时得到混合粉；
64.(2)将步骤(1)中得到的混合粉装入橡胶包套置入冷等静压机，在压力为200mpa下压实得到生坯；
65.(3)将步骤(2)中得到的生坯置于真空烧结炉烧结，真空度为0.1pa，烧结温度为1400℃，保温时间为2h，得到烧结钛钼铌合金；
66.(4)将步骤(3)的烧结钛钼铌合金锻造，锻造温度1250℃；
67.(5)将步骤(3)得到的钛钼铌合金在1100℃进行固溶处理，保温1h，然后油淬冷却，得到最终的钛钼铌合金，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，压缩强度为2000mpa，塑性变形13％，压缩弹性模量为26gpa，既可作为中子透明材料应用于中子衍射相关领域，也可作为生物植入材料应用于医疗领域。
68.实施例8
69.(1)将tih2粉、mo粉和nb粉按质量百分比分别为52％、35％、15％称重配料，置于球磨机中球磨混合3小时得到混合粉；
70.(2)将步骤(1)中得到的混合粉装入橡胶包套置入冷等静压机，在压力为200mpa下压实得到生坯；
71.(3)将步骤(2)中得到的生坯置于真空烧结炉烧结，真空度为0.1pa，烧结温度为1400℃，保温时间为2h，得到烧结钛钼铌合金；
72.(4)将步骤(3)的烧结钛钼铌合金锻造，锻造温度1350℃；
73.(5)将步骤(4)得到的钛钼铌合金在1100℃进行固溶处理，保温1h，然后油淬冷却，得到最终的钛钼铌合金，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，压缩强度为2200mpa，塑性变形15％，压缩弹性模量为25gpa，既可作为中子透明材料应用于中子衍射相关领域，也可作为生物植入材料应用于医疗领域。
74.实施例9
75.(1)将tih2粉、mo粉和nb粉按质量百分比分别为52％、30％、20％称重配料，置于球磨机中球磨混合3小时得到混合粉；
76.(2)将步骤(1)中得到的混合粉装入橡胶包套置入冷等静压机，在压力为200mpa下压实得到生坯；
77.(3)将步骤(2)中得到的生坯置于真空烧结炉烧结，真空度为0.1pa，烧结温度为1400℃，保温时间为2h，得到烧结钛钼铌合金；
78.(4)将步骤(3)的烧结钛钼铌合金锻造，锻造温度1300℃；
79.(5)将步骤(4)得到的钛钼铌合金在1100℃进行固溶处理，保温1h，然后油淬冷却，得到最终的钛钼铌合金，在中子衍射实验下无特征衍射峰出现，压缩强度为2100mpa，塑性变形14％，压缩弹性模量为25gpa，既可作为中子透明材料应用于中子衍射相关领域，也可作为生物植入材料应用于医疗领域。
80.以上所述仅是本发明优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。