Сплавы Ti-Ta
Благодаря рациональному процессу получения, обогащенные танталом и титаном области чередуются внутри сплава, при этом между соседними обогащенными танталом и титаном областями существуют переходные зоны. Эти чередующиеся обогащенные титаном и танталом области, действуя как вторичные фазы, эффективно подавляют движение дислокаций, что приводит к региональному упрочнению. Механизм упрочнения аналогичен упрочнению матрицы в композитных материалах. Такое чередующееся распределение формируется следующим образом: после холодного изостатического прессования более крупные частицы титана окружаются более мелкими частицами тантала. Одновременно более мелкие частицы тантала частично агрегируются и после спекания становятся обогащенными танталом областями, в то время как более крупные частицы титана после спекания становятся обогащенными титаном областями. Переходные зоны образуются за счет диффузии между частицами титана и тантала во время спекания. Для получения такой чередующейся структуры решающее значение имеет разумный выбор соотношения размеров исходных частиц порошка. В данном изобретении размеры частиц Ti варьируются от 45 до 150 мкм, а размеры частиц Ta — от 1 до 10 мкм, при этом соотношение размеров частиц контролируется в диапазоне от 40:1 до 30:1. Тантал обладает низкой скоростью диффузии, а более мелкие частицы порошка тантала имеют более высокую удельную поверхностную энергию, что увеличивает скорость диффузии во время спекания. Теоретически, более мелкие частицы порошка тантала более благоприятны для спекания. Однако, учитывая высокую стоимость получения наноразмерного порошка тантала, в данном изобретении выбран порошок тантала с диапазоном размеров частиц 1–10 мкм.
Помимо чередования областей, обогащенных Ti и Ta, важную роль играют также измельчение зерен и упрочнение твердым раствором. Согласно принципам механики материалов, модуль упругости материала тесно связан с его фазовым и химическим составом, но не так сильно с размером зерен. Тем не менее, измельчение зерен может улучшить прочность материала на растяжение. Поэтому для материалов с определенным составом и фиксированным модулем упругости обычно используются такие методы обработки, как прокатка, ковка и термообработка, для получения мелкозернистой структуры, что повышает прочность материала на растяжение. В данном изобретении используется другой подход, заключающийся в контроле образования зерен с помощью порошковой металлургии и ограничении времени спекания до 1-5 часов. По сравнению с традиционным временем спекания в десятки часов, зерна не успевают достаточно вырасти, что позволяет получить мелкозернистую структуру. Кроме того, низкая скорость диффузии тантала снижает коэффициент диффузии системы, препятствуя росту зерен за счет замедления миграции межзеренных границ. В сочетании с ограниченным размером начальных зерен тантала в диапазоне 1-10 мкм, все эти факторы способствуют измельчению зерен, что приводит к образованию мелкозернистой структуры непосредственно после спекания и достижению мелкозернистого упрочнения. Одновременно процесс диффузии между порошками титана и тантала приводит к образованию, соответственно, обогащенных титаном и танталом областей, где атомы тантала растворяются в титане, а атомы титана растворяются в тантале. Эти растворенные атомы вызывают искажение кристаллической решетки, увеличивая подвижность дислокаций и препятствуя скольжению, тем самым улучшая прочность твердого раствора сплава и приводя к упрочнению твердого раствора.
Данное изобретение, при строгих ограничениях на сырье и параметры процесса, позволяет получить сплав Ti-Ta с пористостью 2,9-15,0%, предпочтительно 3,0-8,9%, и более предпочтительно 4,7-5,6%. Это обеспечивает идеальное соответствие между модулем упругости и высокой прочностью, расширяя область применения титановых сплавов с низким модулем упругости и высокой прочностью.
Титан и тантал, среди прочих металлов, являются высокотемпературными металлами с низкими коэффициентами диффузии. Традиционные процессы порошковой металлургии для титановых сплавов обычно требуют длительного времени и высоких температур спекания для обеспечения однородной диффузии титана и других легирующих элементов, что приводит к получению однородного сплава. Однако более длительное время спекания приводит к увеличению размера зерен, а эффект Киркендалла, вызванный различными скоростями диффузии титана и тантала, становится более выраженным, что приводит к увеличению количества пор. Все эти факторы значительно снижают прочность образца на растяжение. С другой стороны, если время спекания слишком короткое, порошки титана и тантала не успевают сформировать эффективные диффузионные связи во время спекания, оставляя порошок в основном в неразвитом состоянии со слабыми металлургическими связями, что также приводит к низкой прочности. В данном изобретении отказываются от традиционного метода спекания, требующего термической диффузии элементов Ti и Ta для получения атомарно однородных тел. Вместо этого используется концепция чередования областей, обогащенных Ta и Ti, что приводит к получению титановых сплавов с превосходным модулем упругости и прочностью. Для достижения такого чередующегося распределения необходимо строго контролировать время и температуру спекания. В данном изобретении время спекания составляет 1-5 часов. Слишком длительное время приводит к отсутствию четко выраженных областей, обогащенных танталом и титаном, в материале; слишком короткое время препятствует эффективному диффузионному соединению между порошками титана и тантала, оставляя порошок в основном в неразвитом состоянии со слабой металлургической связью и, следовательно, низкой прочностью. В данном изобретении температура спекания контролируется на уровне 1200-1500℃. Слишком низкая температура препятствует металлургическому соединению порошков титана и тантала, что приводит к получению изделий с низкой плотностью и прочностью; слишком высокая температура приводит к образованию жидкой фазы во время спекания, повреждая структуру сплава и увеличивая затраты.
Строгий контроль давления в печи во время спекания имеет решающее значение, поскольку порошок титана обладает высокой реакционной способностью в процессе, легко адсорбируя кислород и водяной пар с образованием плотной оксидной пленки. Наличие этих оксидных пленок препятствует процессу спекания. Кроме того, по мере спекания поверхностный кислород превращается во внутризеренный кислород, увеличивая содержание кислорода в матрице титанового сплава и значительно ухудшая пластичность и прочность конечного продукта. Поэтому спекание необходимо проводить в условиях более высокого вакуума, чтобы исключить влияние кислорода и водяного пара на характеристики конечного спеченного продукта. Более высокие уровни вакуума означают более высокие затраты. С учетом практического применения в производстве, данное изобретение позволяет контролировать уровень вакуума при спекании в диапазоне 5-9 x 10⁻³.
Преимущества заключаются в следующем: решение проблемы получения мелкозернистой структуры и композитных армирующих элементов, которые трудно получить с помощью существующих процессов литья и прокатки; простота процесса, разумные параметры, низкие требования к технологическим процедурам; получение материала с превосходными механическими свойствами и хорошей биосовместимостью; возможность промышленного производства