本發明屬于鈦環材料
技術領域：
，具體涉及一種高強度耐疲勞鈦環及其制備方法。
背景技術：
：鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，因其具有質輕、高強、耐蝕、耐熱、無磁等一系列優良性能，以及形狀記憶、超導、儲氫、生物相容性四大獨特功能。根據在鈦中加入β穩定元素的多少及退火后的組織，鈦及鈦合金分為三大類：α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金，具有比強度高、耐腐蝕性好等優點，已被廣泛應用于航空、航天、車輛工程和生物醫學工程等領域。高強高韌鈦合金是指抗拉強度再1000mpa以上，斷裂韌性在55mpa·m以上的鈦合金。鈦元素對人體無毒，質量輕，強度高，具有非常好的生物相容性，鈦合金ti4al4v、ti6al17nb、ti13nb13zr等作為醫用金屬材料在生物學性能、植入試驗和臨床等方面有所研究。中國專利cn106346098a公開的一種人造視網膜中鍍金al2o3陶瓷與鍍金鈦環的連接方法，利用金箔片連接鍍金al2o3陶瓷與鍍金鈦環，在真空加熱加壓固化，得到接頭組織致密、氣密性好的鍍金al2o3陶瓷與鍍金鈦環接頭。但是目前基于鈦環制備方法的報道并不多見。中國專利cn101920435b公開的濺射鉭環件的制備工藝，將鉭條卷圓后，焊接，熱處理，整形，內外表面滾花，切斷焊口，端口滾花，焊接槽口，酸洗，噴砂，超聲清洗得到。該方法制備的環件需要滾花刀決定，需要滾花幾次，效率低，也容易滾花后紋路不一致，耗時耗力，而且鈦合金環件經常受到一些外界的沖擊和重復疲勞使用，需要鈦合金具有優良的動態承載能力。因此制備一種高強度的鈦環，保證其在沖擊和疲勞使用下保持構建結構的完整性和尺寸的穩定性。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是提供一種高強度耐疲勞鈦環及其制備方法，該高強度耐疲勞鈦環為ti-al-mo-v-cr系合金，其中ti合金中含有橫縱向之比為1-3的初生α相，采用海綿鈦、純al、純cr、al-mo中間合金、al-v中間合金、ti-mo中間合金配料，壓制成自耗電極，經過二次真空自耗電弧爐熔煉，制成鑄錠；然后經開坯，變形，經過多次降溫鐓粗拔長、鍛造、軋制、熱處理、校平、機加工、清洗、激光雕刻、卷圓成鈦環，最后清洗烘干得到高強度耐疲勞鈦環。為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種高強度耐疲勞鈦環，所述高強度耐疲勞鈦環為ti-al-mo-v-cr系合金，合金中各組分重量百分比為al：3.5-5.5％，v：4-8％，cr:5-7％,mo：3-7％，雜質含量＜0.2％，余量為ti合金，所述ti合金中含有初生α相的質量比為3-15％，初生條狀α相的橫縱向之比為1-3。作為上述技術方案的優選，所述高強度耐疲勞鈦環的最大均勻塑形應變大于0.25，沖擊吸收功大于300mj/m3。本發明還提供一種高強度耐疲勞鈦環的制備方法，包括以下步驟：(1)采用海綿鈦、純al、純cr、al-mo中間合金、al-v中間合金、ti-mo中間合金配料，純度大于99％壓制成自耗電極，經過二次真空自耗電弧爐熔煉，制成ti-al-mo-v-cr合金鑄錠；(2)將ti-al-mo-v-cr合金鑄錠在950-1100℃開坯，變形量60％，經過多次降溫至750-820℃鐓粗拔長，積累變形量大于70％，制成棒材或者板材ti鑄錠；(3)將ti鑄錠經鍛造、軋制、熱處理、校平和機加工后制成鈦板條；(4)將鈦板條清洗去除表面臟污，然后用激光雕刻鈦版條格表面，再用卷圓機將雕刻后的鈦板條卷圓成鈦環，最后清洗烘干得到高強度耐疲勞鈦環。作為上述技術方案的優選，所述步驟(1)中，ti-al-mo-v-cr合金鑄錠中各組分重量百分比為al：3.5-5.5％，v：4-8％，cr:5-7％,mo：3-7％，雜質含量＜0.2％，余量為ti合金，所述ti合金中含有初生α相的質量比為3-15％，初生條狀α相的橫縱向之比為1-3。作為上述技術方案的優選，所述步驟(3)中，熱處理的溫度為880-1200℃，保溫時間為0.5-2h，校平后平面度≤1mm，機加工后鈦板條平面度≤0.3mm，厚度極差≤0.2mm，表面粗糙度ra≤1.6μm。作為上述技術方案的優選，所述步驟(4)中，激光器脈沖寬度為10-100ns，脈沖頻率為20-100khz，激光平均功率為20-200w，雕刻線速度為1000-3000mm/s，分層雕刻紋路，每層厚度為0.05-0.2mm。作為上述技術方案的優選，所述步驟(4)中，激光雕刻的紋理為菱形、正六邊形或者圓形。作為上述技術方案的優選，所述步驟(4)中，鈦環的圓度≤1mm。作為上述技術方案的優選，所述步驟(4)中，清洗為先采用硝酸和氫氟酸金相腐蝕劑進行酸洗，酸洗時間為5-15min，再用清水沖洗，無水乙醇脫水。作為上述技術方案的優選，所述步驟(4)中，金相腐蝕劑中的組分，按體積百分比為：硝酸質量濃度為20-35％，氫氟酸質量濃度為4-10％，乙醇為10-20％，丙酮為5-10％，其余為水。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：(1)本發明制備的高強度耐疲勞鈦環中的鈦合金含有初生α相，初生α相的橫縱向之比和含量有利于提高鈦環的耐沖擊性和耐疲勞性，且將鈦合金鑄錠采用高溫熱處理后形成軟態，再經卷圓，應力小，制備的鈦環采用激光雕刻形成菱形、正六邊形或者圓形紋理，激光雕刻的精度高，可確保鈦環表面紋路和加工尺寸的一致性和穩定性，且激光雕刻的效率高，不必重復操作，降低人力物力，最后鈦合金經金相腐蝕劑處理，金相組織中晶界清晰。(2)本發明制備的高強度耐疲勞鈦環具有最大均勻塑形應變大于0.25，沖擊吸收功大于300mj/m3，具有優異的高強度和耐疲勞性能，且鈦環的制備方法高效穩定，可作為醫療器械和濺射靶材。具體實施方式下面將結合具體實施例來詳細說明本發明，在此本發明的示意性實施例以及說明用來解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。實施例1：(1)采用0級海綿鈦、純度＞99％的純al、純度＞99％的純cr、al-85mo中間合金、al-85v中間合金、ti-32mo中間合金配料，純度大于99％壓制成自耗電極，經過二次真空自耗電弧爐熔煉，制成ti-al-mo-v-cr合金鑄錠，其中ti-al-mo-v-cr合金鑄錠中各組分重量百分比為al：3.5％，v：6％，cr:6％,mo：5％，雜質含量＜0.2％，余量為ti合金，所述ti合金中含有初生α相的質量比為8％，初生條狀α相的橫縱向之比為1-2.5。(2)將ti-al-mo-v-cr合金鑄錠在1050℃開坯，變形量60％，經過多次降溫換向鍛造，終鍛溫度為760-810℃，積累變形量為80％，制成900×75×35mm的方棒ti鑄錠。(3)將ti鑄錠鍛造成170×60mm的方坯，單向軋制至厚度6mm，960℃/0.5-2h退火后校平，校平后平面度為0.6mm，切割成900×55mm的長板條，數控銑加工至893×50.5×3.2mm，鈦板條平面度為0.2mm，厚度極差0.13mm，表面粗糙度ra為1.1μm校平和機加工后制成鈦板條。(4)將鈦板條清洗去除表面臟污，然后用激光雕刻鈦版條格表面，選用脈沖寬度為50ns，脈沖頻率為20-100khz，激光平均功率為60w，雕刻線速度為1500mm/s，在鈦長板條上分層雕刻菱形紋路，每層厚度為0.05mm，持續時間為5h，再用卷圓機將雕刻后的鈦板條卷圓成圓度為0.8mm的鈦環，最后先采用硝酸和氫氟酸金相腐蝕劑進行酸洗，酸洗時間為5min，再用清水沖洗，無水乙醇脫水，得到高強度耐疲勞鈦環，其中金相腐蝕劑中的組分，按體積百分比為：硝酸質量濃度為20％，氫氟酸質量濃度為5％，乙醇為10％，丙酮為5％，其余為水。實施例2：(1)采用0級海綿鈦、純度＞99％的純al、純度＞99％的純cr、al-85v中間合金、ti-32mo中間合金配料，純度大于99％壓制成自耗電極，經過二次真空自耗電弧爐熔煉，制成ti-al-mo-v-cr合金鑄錠，其中ti-al-mo-v-cr合金鑄錠中各組分重量百分比為al：4％，v：5％，cr:6％,mo：5％，雜質含量＜0.2％，余量為ti合金，所述ti合金中含有初生α相的質量比為15％，初生條狀α相的橫縱向之比為1-3。(2)將ti-al-mo-v-cr合金鑄錠在1050℃開坯，變形量60％，經過多次降溫換向鍛造，終鍛溫度為760-780℃，積累變形量為75％，制成φ18mm的棒材ti鑄錠。(3)將ti鑄錠鍛造成170×60mm的方坯，單向軋制至厚度5.6mm，885℃/0.5-2h退火后校平，校平后平面度為0.4mm，切割成900×55mm的長板條，數控銑加工至893×50.5×3.2mm，鈦板條平面度為0.16mm，厚度極差0.1mm，表面粗糙度ra為0.8μm校平和機加工后制成鈦板條。(4)將鈦板條清洗去除表面臟污，然后用激光雕刻鈦版條格表面，選用脈沖寬度為10ns，脈沖頻率為20-100khz，激光平均功率為50w，雕刻線速度為3000mm/s，在鈦長板條上分層雕刻正六邊形紋路，每層厚度為0.1mm，持續時間為7h，再用卷圓機將雕刻后的鈦板條卷圓成圓度為0.8mm的鈦環，最后先采用硝酸和氫氟酸金相腐蝕劑進行酸洗，酸洗時間為6min，再用清水沖洗，無水乙醇脫水，得到高強度耐疲勞鈦環，其中金相腐蝕劑中的組分，按體積百分比為：硝酸質量濃度為30％，氫氟酸質量濃度為4％，乙醇為20％，丙酮為10％，其余為水。實施例3：(1)采用0級海綿鈦、純度＞99％的純al、純度＞99％的純cr、al-85mo中間合金、al-85v中間合金、ti-32mo中間合金配料，純度大于99％壓制成自耗電極，經過二次真空自耗電弧爐熔煉，制成ti-al-mo-v-cr合金鑄錠，其中ti-al-mo-v-cr合金鑄錠中各組分重量百分比為al：4.5％，v：6％，cr:6％,mo：5％，雜質含量＜0.2％，余量為ti合金，所述ti合金中含有初生α相的質量比為3.5％，初生條狀α相的橫縱向之比為2-3。(2)將ti-al-mo-v-cr合金鑄錠在1050℃開坯，變形量60％，經過多次降溫換向鍛造，終鍛溫度為760-790℃，積累變形量為85％，制成30×30×1000mm的板材ti鑄錠。(3)將ti鑄錠鍛造成170×60mm的方坯，單向軋制至厚度5.5mm，1200℃/2h退火后校平，校平后平面度為0.35mm，切割成900×55mm的長板條，數控銑加工至893×50.5×3.2mm，鈦板條平面度為0.18mm，厚度極差0.12mm，表面粗糙度ra為0.7μm校平和機加工后制成鈦板條。(4)將鈦板條清洗去除表面臟污，然后用激光雕刻鈦版條格表面，選用脈沖寬度為90ns，脈沖頻率為80khz，激光平均功率為120w，雕刻線速度為1500mm/s，在鈦長板條上分層雕刻圓形紋路，每層厚度為0.15mm，持續時間為5h，再用卷圓機將雕刻后的鈦板條卷圓成圓度為1mm的鈦環，最后先采用硝酸和氫氟酸金相腐蝕劑進行酸洗，酸洗時間為10min，再用清水沖洗，無水乙醇脫水，得到高強度耐疲勞鈦環，其中金相腐蝕劑中的組分，按體積百分比為：硝酸質量濃度為20％，氫氟酸質量濃度為7％，乙醇為15％，丙酮為8％，其余為水。實施例4：(1)采用0級海綿鈦、純度＞99％的純al、純度＞99％的純cr、al-60v中間合金、ti-32mo中間合金配料，純度大于99％壓制成自耗電極，經過二次真空自耗電弧爐熔煉，制成ti-al-mo-v-cr合金鑄錠，其中ti-al-mo-v-cr合金鑄錠中各組分重量百分比為al：5％，v：5％，cr:6.5％,mo：3.5％，雜質含量＜0.2％，余量為ti合金，所述ti合金中含有初生α相的質量比為14％，初生條狀α相的橫縱向之比為1.5。(2)將ti-al-mo-v-cr合金鑄錠在1100℃開坯，變形量60％，經過多次降溫換向鍛造，終鍛溫度為750-820℃，積累變形量大于70％，制成900×75×35mm的板材ti鑄錠。(3)將ti鑄錠鍛造成170×60mm的方坯，單向軋制至厚度6mm，880℃/0.5-2h退火后校平，校平后平面度為0.6mm，切割成900×55mm的長板條，數控銑加工至893×50.5×3.2mm，鈦板條平面度為0.15mm，厚度極差0.12mm，表面粗糙度ra為1.0μm校平和機加工后制成鈦板條。(4)將鈦板條清洗去除表面臟污，然后用激光雕刻鈦版條格表面，選用脈沖寬度為100ns，脈沖頻率為20khz，激光平均功率為20w，雕刻線速度為1000mm/s，在鈦長板條上分層雕刻菱形紋路，每層厚度為0.1mm，持續時間為5h，再用卷圓機將雕刻后的鈦板條卷圓成圓度為0.8mm的鈦環，最后先采用硝酸和氫氟酸金相腐蝕劑進行酸洗，酸洗時間為15min，再用清水沖洗，無水乙醇脫水，得到高強度耐疲勞鈦環，其中金相腐蝕劑中的組分，按體積百分比為：硝酸質量濃度為20％，氫氟酸質量濃度為4％，乙醇為10％，丙酮為10％，其余為水。實施例5：(1)采用0級海綿鈦、純度＞99％的純al、純度＞99％的純cr、al-60v中間合金、ti-32mo中間合金配料，純度大于99％壓制成自耗電極，經過二次真空自耗電弧爐熔煉，制成ti-al-mo-v-cr合金鑄錠，其中ti-al-mo-v-cr合金鑄錠中各組分重量百分比為al：5.2％，v：4％，cr:5％,mo：6.5％，雜質含量＜0.2％，余量為ti合金，所述ti合金中含有初生α相的質量比為10％，初生條狀α相的橫縱向之比為1-3。(2)將ti-al-mo-v-cr合金鑄錠在1050℃開坯，變形量60％，經過多次降溫換向鍛造，終鍛溫度為760-800℃，積累變形量為90％，制成900×55×35mm的棒材或者板材ti鑄錠。(3)將ti鑄錠鍛造成170×60mm的方坯，單向軋制至厚度6mm，950℃/1.5h退火后校平，校平后平面度為0.5mm，切割成900×55mm的長板條，數控銑加工至893×50.5×3.2mm，鈦板條平面度為0.2mm，厚度極差0.10mm，表面粗糙度ra為0.9μm校平和機加工后制成鈦板條。(4)將鈦板條清洗去除表面臟污，然后用激光雕刻鈦版條格表面，選用脈沖寬度為100ns，脈沖頻率為100khz，激光平均功率為200w，雕刻線速度為3000mm/s，在鈦長板條上分層雕刻圓形紋路，每層厚度為0.2mm，持續時間為5h，再用卷圓機將雕刻后的鈦板條卷圓成圓度為0.8mm的鈦環，最后先采用硝酸和氫氟酸金相腐蝕劑進行酸洗，酸洗時間為5min，再用清水沖洗，無水乙醇脫水，得到高強度耐疲勞鈦環，其中金相腐蝕劑中的組分，按體積百分比為：硝酸質量濃度為35％，氫氟酸質量濃度為10％，乙醇為20％，丙酮為10％，其余為水。實施例6：(1)采用0級海綿鈦、純度＞99％的純al、純度＞99％的純cr、al-85mo中間合金、al-85v中間合金、ti-32mo中間合金配料，純度大于99％壓制成自耗電極，經過二次真空自耗電弧爐熔煉，制成ti-al-mo-v-cr合金鑄錠，其中ti-al-mo-v-cr合金鑄錠中各組分重量百分比為al：3.5％，v：8％，cr:7％,mo：7％，雜質含量＜0.2％，余量為ti合金，所述ti合金中含有初生α相的質量比為15％，初生條狀α相的橫縱向之比為1-3。(2)將ti-al-mo-v-cr合金鑄錠在1100℃開坯，變形量60％，經過多次降溫換向鍛造，終鍛溫度為780-820℃，積累變形量為75％，制成900×75×35mm的板材ti鑄錠。(3)將ti鑄錠鍛造成170×60mm的方坯，單向軋制至厚度6mm，880-1200℃/0.5-2h退火后校平，校平后平面度為0.6mm，切割成900×55mm的長板條，數控銑加工至893×50.5×3.2mm，鈦板條平面度為0.2mm，厚度極差0.13mm，表面粗糙度ra為1.0μm校平和機加工后制成鈦板條。(4)將鈦板條清洗去除表面臟污，然后用激光雕刻鈦版條格表面，選用脈沖寬度為50ns，脈沖頻率為80khz，激光平均功率為100w，雕刻線速度為2000mm/s，在鈦長板條上分層雕刻正六邊形紋路，每層厚度為0.15mm，持續時間為5h，再用卷圓機將雕刻后的鈦板條卷圓成圓度為0.8mm的鈦環，最后先采用硝酸和氫氟酸金相腐蝕劑進行酸洗，酸洗時間為10min，再用清水沖洗，無水乙醇脫水，得到高強度耐疲勞鈦環，其中金相腐蝕劑中的組分，按體積百分比為：硝酸質量濃度為25％，氫氟酸質量濃度為7％，乙醇為15％，丙酮為7％，其余為水。經檢測，實施例1-6制備的高強度耐疲勞鈦環進行霍普金森壓桿試驗測得的最大均勻塑形應變、沖擊吸收功的結果如下所示：實施例1實施例2實施例3實施例4實施例5實施例6最大均勻塑形應變0.280.250.260.380.350.31沖擊吸收功(mj/m3)310300310365345325由上表可見，本發明制備的高強度耐疲勞鈦環耐沖擊性和尺寸穩定性好。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬
技術領域：
中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。當前第1頁12