本发明属于钛环材料
技术领域：
，具体涉及一种高强度耐疲劳钛环及其制备方法。
背景技术：
：钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能。根据在钛中加入β稳定元素的多少及退火后的组织，钛及钛合金分为三大类：α钛合金、β钛合金、α+β钛合金，具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，已被广泛应用于航空、航天、车辆工程和生物医学工程等领域。高强高韧钛合金是指抗拉强度再1000mpa以上，断裂韧性在55mpa·m以上的钛合金。钛元素对人体无毒，质量轻，强度高，具有非常好的生物相容性，钛合金ti4al4v、ti6al17nb、ti13nb13zr等作为医用金属材料在生物学性能、植入试验和临床等方面有所研究。中国专利cn106346098a公开的一种人造视网膜中镀金al2o3陶瓷与镀金钛环的连接方法，利用金箔片连接镀金al2o3陶瓷与镀金钛环，在真空加热加压固化，得到接头组织致密、气密性好的镀金al2o3陶瓷与镀金钛环接头。但是目前基于钛环制备方法的报道并不多见。中国专利cn101920435b公开的溅射钽环件的制备工艺，将钽条卷圆后，焊接，热处理，整形，内外表面滚花，切断焊口，端口滚花，焊接槽口，酸洗，喷砂，超声清洗得到。该方法制备的环件需要滚花刀决定，需要滚花几次，效率低，也容易滚花后纹路不一致，耗时耗力，而且钛合金环件经常受到一些外界的冲击和重复疲劳使用，需要钛合金具有优良的动态承载能力。因此制备一种高强度的钛环，保证其在冲击和疲劳使用下保持构建结构的完整性和尺寸的稳定性。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种高强度耐疲劳钛环及其制备方法，该高强度耐疲劳钛环为ti-al-mo-v-cr系合金，其中ti合金中含有横纵向之比为1-3的初生α相，采用海绵钛、纯al、纯cr、al-mo中间合金、al-v中间合金、ti-mo中间合金配料，压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，制成铸锭；然后经开坯，变形，经过多次降温镦粗拔长、锻造、轧制、热处理、校平、机加工、清洗、激光雕刻、卷圆成钛环，最后清洗烘干得到高强度耐疲劳钛环。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高强度耐疲劳钛环，所述高强度耐疲劳钛环为ti-al-mo-v-cr系合金，合金中各组分重量百分比为al：3.5-5.5％，v：4-8％，cr:5-7％,mo：3-7％，杂质含量＜0.2％，余量为ti合金，所述ti合金中含有初生α相的质量比为3-15％，初生条状α相的横纵向之比为1-3。作为上述技术方案的优选，所述高强度耐疲劳钛环的最大均匀塑形应变大于0.25，冲击吸收功大于300mj/m3。本发明还提供一种高强度耐疲劳钛环的制备方法，包括以下步骤：(1)采用海绵钛、纯al、纯cr、al-mo中间合金、al-v中间合金、ti-mo中间合金配料，纯度大于99％压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，制成ti-al-mo-v-cr合金铸锭；(2)将ti-al-mo-v-cr合金铸锭在950-1100℃开坯，变形量60％，经过多次降温至750-820℃镦粗拔长，积累变形量大于70％，制成棒材或者板材ti铸锭；(3)将ti铸锭经锻造、轧制、热处理、校平和机加工后制成钛板条；(4)将钛板条清洗去除表面脏污，然后用激光雕刻钛版条格表面，再用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成钛环，最后清洗烘干得到高强度耐疲劳钛环。作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，ti-al-mo-v-cr合金铸锭中各组分重量百分比为al：3.5-5.5％，v：4-8％，cr:5-7％,mo：3-7％，杂质含量＜0.2％，余量为ti合金，所述ti合金中含有初生α相的质量比为3-15％，初生条状α相的横纵向之比为1-3。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，热处理的温度为880-1200℃，保温时间为0.5-2h，校平后平面度≤1mm，机加工后钛板条平面度≤0.3mm，厚度极差≤0.2mm，表面粗糙度ra≤1.6μm。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，激光器脉冲宽度为10-100ns，脉冲频率为20-100khz，激光平均功率为20-200w，雕刻线速度为1000-3000mm/s，分层雕刻纹路，每层厚度为0.05-0.2mm。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，激光雕刻的纹理为菱形、正六边形或者圆形。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，钛环的圆度≤1mm。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，清洗为先采用硝酸和氢氟酸金相腐蚀剂进行酸洗，酸洗时间为5-15min，再用清水冲洗，无水乙醇脱水。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，金相腐蚀剂中的组分，按体积百分比为：硝酸质量浓度为20-35％，氢氟酸质量浓度为4-10％，乙醇为10-20％，丙酮为5-10％，其余为水。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明制备的高强度耐疲劳钛环中的钛合金含有初生α相，初生α相的横纵向之比和含量有利于提高钛环的耐冲击性和耐疲劳性，且将钛合金铸锭采用高温热处理后形成软态，再经卷圆，应力小，制备的钛环采用激光雕刻形成菱形、正六边形或者圆形纹理，激光雕刻的精度高，可确保钛环表面纹路和加工尺寸的一致性和稳定性，且激光雕刻的效率高，不必重复操作，降低人力物力，最后钛合金经金相腐蚀剂处理，金相组织中晶界清晰。(2)本发明制备的高强度耐疲劳钛环具有最大均匀塑形应变大于0.25，冲击吸收功大于300mj/m3，具有优异的高强度和耐疲劳性能，且钛环的制备方法高效稳定，可作为医疗器械和溅射靶材。具体实施方式下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。实施例1：(1)采用0级海绵钛、纯度＞99％的纯al、纯度＞99％的纯cr、al-85mo中间合金、al-85v中间合金、ti-32mo中间合金配料，纯度大于99％压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，制成ti-al-mo-v-cr合金铸锭，其中ti-al-mo-v-cr合金铸锭中各组分重量百分比为al：3.5％，v：6％，cr:6％,mo：5％，杂质含量＜0.2％，余量为ti合金，所述ti合金中含有初生α相的质量比为8％，初生条状α相的横纵向之比为1-2.5。(2)将ti-al-mo-v-cr合金铸锭在1050℃开坯，变形量60％，经过多次降温换向锻造，终锻温度为760-810℃，积累变形量为80％，制成900×75×35mm的方棒ti铸锭。(3)将ti铸锭锻造成170×60mm的方坯，单向轧制至厚度6mm，960℃/0.5-2h退火后校平，校平后平面度为0.6mm，切割成900×55mm的长板条，数控铣加工至893×50.5×3.2mm，钛板条平面度为0.2mm，厚度极差0.13mm，表面粗糙度ra为1.1μm校平和机加工后制成钛板条。(4)将钛板条清洗去除表面脏污，然后用激光雕刻钛版条格表面，选用脉冲宽度为50ns，脉冲频率为20-100khz，激光平均功率为60w，雕刻线速度为1500mm/s，在钛长板条上分层雕刻菱形纹路，每层厚度为0.05mm，持续时间为5h，再用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成圆度为0.8mm的钛环，最后先采用硝酸和氢氟酸金相腐蚀剂进行酸洗，酸洗时间为5min，再用清水冲洗，无水乙醇脱水，得到高强度耐疲劳钛环，其中金相腐蚀剂中的组分，按体积百分比为：硝酸质量浓度为20％，氢氟酸质量浓度为5％，乙醇为10％，丙酮为5％，其余为水。实施例2：(1)采用0级海绵钛、纯度＞99％的纯al、纯度＞99％的纯cr、al-85v中间合金、ti-32mo中间合金配料，纯度大于99％压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，制成ti-al-mo-v-cr合金铸锭，其中ti-al-mo-v-cr合金铸锭中各组分重量百分比为al：4％，v：5％，cr:6％,mo：5％，杂质含量＜0.2％，余量为ti合金，所述ti合金中含有初生α相的质量比为15％，初生条状α相的横纵向之比为1-3。(2)将ti-al-mo-v-cr合金铸锭在1050℃开坯，变形量60％，经过多次降温换向锻造，终锻温度为760-780℃，积累变形量为75％，制成φ18mm的棒材ti铸锭。(3)将ti铸锭锻造成170×60mm的方坯，单向轧制至厚度5.6mm，885℃/0.5-2h退火后校平，校平后平面度为0.4mm，切割成900×55mm的长板条，数控铣加工至893×50.5×3.2mm，钛板条平面度为0.16mm，厚度极差0.1mm，表面粗糙度ra为0.8μm校平和机加工后制成钛板条。(4)将钛板条清洗去除表面脏污，然后用激光雕刻钛版条格表面，选用脉冲宽度为10ns，脉冲频率为20-100khz，激光平均功率为50w，雕刻线速度为3000mm/s，在钛长板条上分层雕刻正六边形纹路，每层厚度为0.1mm，持续时间为7h，再用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成圆度为0.8mm的钛环，最后先采用硝酸和氢氟酸金相腐蚀剂进行酸洗，酸洗时间为6min，再用清水冲洗，无水乙醇脱水，得到高强度耐疲劳钛环，其中金相腐蚀剂中的组分，按体积百分比为：硝酸质量浓度为30％，氢氟酸质量浓度为4％，乙醇为20％，丙酮为10％，其余为水。实施例3：(1)采用0级海绵钛、纯度＞99％的纯al、纯度＞99％的纯cr、al-85mo中间合金、al-85v中间合金、ti-32mo中间合金配料，纯度大于99％压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，制成ti-al-mo-v-cr合金铸锭，其中ti-al-mo-v-cr合金铸锭中各组分重量百分比为al：4.5％，v：6％，cr:6％,mo：5％，杂质含量＜0.2％，余量为ti合金，所述ti合金中含有初生α相的质量比为3.5％，初生条状α相的横纵向之比为2-3。(2)将ti-al-mo-v-cr合金铸锭在1050℃开坯，变形量60％，经过多次降温换向锻造，终锻温度为760-790℃，积累变形量为85％，制成30×30×1000mm的板材ti铸锭。(3)将ti铸锭锻造成170×60mm的方坯，单向轧制至厚度5.5mm，1200℃/2h退火后校平，校平后平面度为0.35mm，切割成900×55mm的长板条，数控铣加工至893×50.5×3.2mm，钛板条平面度为0.18mm，厚度极差0.12mm，表面粗糙度ra为0.7μm校平和机加工后制成钛板条。(4)将钛板条清洗去除表面脏污，然后用激光雕刻钛版条格表面，选用脉冲宽度为90ns，脉冲频率为80khz，激光平均功率为120w，雕刻线速度为1500mm/s，在钛长板条上分层雕刻圆形纹路，每层厚度为0.15mm，持续时间为5h，再用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成圆度为1mm的钛环，最后先采用硝酸和氢氟酸金相腐蚀剂进行酸洗，酸洗时间为10min，再用清水冲洗，无水乙醇脱水，得到高强度耐疲劳钛环，其中金相腐蚀剂中的组分，按体积百分比为：硝酸质量浓度为20％，氢氟酸质量浓度为7％，乙醇为15％，丙酮为8％，其余为水。实施例4：(1)采用0级海绵钛、纯度＞99％的纯al、纯度＞99％的纯cr、al-60v中间合金、ti-32mo中间合金配料，纯度大于99％压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，制成ti-al-mo-v-cr合金铸锭，其中ti-al-mo-v-cr合金铸锭中各组分重量百分比为al：5％，v：5％，cr:6.5％,mo：3.5％，杂质含量＜0.2％，余量为ti合金，所述ti合金中含有初生α相的质量比为14％，初生条状α相的横纵向之比为1.5。(2)将ti-al-mo-v-cr合金铸锭在1100℃开坯，变形量60％，经过多次降温换向锻造，终锻温度为750-820℃，积累变形量大于70％，制成900×75×35mm的板材ti铸锭。(3)将ti铸锭锻造成170×60mm的方坯，单向轧制至厚度6mm，880℃/0.5-2h退火后校平，校平后平面度为0.6mm，切割成900×55mm的长板条，数控铣加工至893×50.5×3.2mm，钛板条平面度为0.15mm，厚度极差0.12mm，表面粗糙度ra为1.0μm校平和机加工后制成钛板条。(4)将钛板条清洗去除表面脏污，然后用激光雕刻钛版条格表面，选用脉冲宽度为100ns，脉冲频率为20khz，激光平均功率为20w，雕刻线速度为1000mm/s，在钛长板条上分层雕刻菱形纹路，每层厚度为0.1mm，持续时间为5h，再用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成圆度为0.8mm的钛环，最后先采用硝酸和氢氟酸金相腐蚀剂进行酸洗，酸洗时间为15min，再用清水冲洗，无水乙醇脱水，得到高强度耐疲劳钛环，其中金相腐蚀剂中的组分，按体积百分比为：硝酸质量浓度为20％，氢氟酸质量浓度为4％，乙醇为10％，丙酮为10％，其余为水。实施例5：(1)采用0级海绵钛、纯度＞99％的纯al、纯度＞99％的纯cr、al-60v中间合金、ti-32mo中间合金配料，纯度大于99％压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，制成ti-al-mo-v-cr合金铸锭，其中ti-al-mo-v-cr合金铸锭中各组分重量百分比为al：5.2％，v：4％，cr:5％,mo：6.5％，杂质含量＜0.2％，余量为ti合金，所述ti合金中含有初生α相的质量比为10％，初生条状α相的横纵向之比为1-3。(2)将ti-al-mo-v-cr合金铸锭在1050℃开坯，变形量60％，经过多次降温换向锻造，终锻温度为760-800℃，积累变形量为90％，制成900×55×35mm的棒材或者板材ti铸锭。(3)将ti铸锭锻造成170×60mm的方坯，单向轧制至厚度6mm，950℃/1.5h退火后校平，校平后平面度为0.5mm，切割成900×55mm的长板条，数控铣加工至893×50.5×3.2mm，钛板条平面度为0.2mm，厚度极差0.10mm，表面粗糙度ra为0.9μm校平和机加工后制成钛板条。(4)将钛板条清洗去除表面脏污，然后用激光雕刻钛版条格表面，选用脉冲宽度为100ns，脉冲频率为100khz，激光平均功率为200w，雕刻线速度为3000mm/s，在钛长板条上分层雕刻圆形纹路，每层厚度为0.2mm，持续时间为5h，再用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成圆度为0.8mm的钛环，最后先采用硝酸和氢氟酸金相腐蚀剂进行酸洗，酸洗时间为5min，再用清水冲洗，无水乙醇脱水，得到高强度耐疲劳钛环，其中金相腐蚀剂中的组分，按体积百分比为：硝酸质量浓度为35％，氢氟酸质量浓度为10％，乙醇为20％，丙酮为10％，其余为水。实施例6：(1)采用0级海绵钛、纯度＞99％的纯al、纯度＞99％的纯cr、al-85mo中间合金、al-85v中间合金、ti-32mo中间合金配料，纯度大于99％压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，制成ti-al-mo-v-cr合金铸锭，其中ti-al-mo-v-cr合金铸锭中各组分重量百分比为al：3.5％，v：8％，cr:7％,mo：7％，杂质含量＜0.2％，余量为ti合金，所述ti合金中含有初生α相的质量比为15％，初生条状α相的横纵向之比为1-3。(2)将ti-al-mo-v-cr合金铸锭在1100℃开坯，变形量60％，经过多次降温换向锻造，终锻温度为780-820℃，积累变形量为75％，制成900×75×35mm的板材ti铸锭。(3)将ti铸锭锻造成170×60mm的方坯，单向轧制至厚度6mm，880-1200℃/0.5-2h退火后校平，校平后平面度为0.6mm，切割成900×55mm的长板条，数控铣加工至893×50.5×3.2mm，钛板条平面度为0.2mm，厚度极差0.13mm，表面粗糙度ra为1.0μm校平和机加工后制成钛板条。(4)将钛板条清洗去除表面脏污，然后用激光雕刻钛版条格表面，选用脉冲宽度为50ns，脉冲频率为80khz，激光平均功率为100w，雕刻线速度为2000mm/s，在钛长板条上分层雕刻正六边形纹路，每层厚度为0.15mm，持续时间为5h，再用卷圆机将雕刻后的钛板条卷圆成圆度为0.8mm的钛环，最后先采用硝酸和氢氟酸金相腐蚀剂进行酸洗，酸洗时间为10min，再用清水冲洗，无水乙醇脱水，得到高强度耐疲劳钛环，其中金相腐蚀剂中的组分，按体积百分比为：硝酸质量浓度为25％，氢氟酸质量浓度为7％，乙醇为15％，丙酮为7％，其余为水。经检测，实施例1-6制备的高强度耐疲劳钛环进行霍普金森压杆试验测得的最大均匀塑形应变、冲击吸收功的结果如下所示：实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6最大均匀塑形应变0.280.250.260.380.350.31冲击吸收功(mj/m3)310300310365345325由上表可见，本发明制备的高强度耐疲劳钛环耐冲击性和尺寸稳定性好。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属
技术领域：
中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。当前第1页12