权利要求
1.一种高氧含量Ti6Al4V-Cu-O合金，其特征在于，以质量百分比计，包括以下组分：Cu:1-4，O：0.3-1，Al：5.6-6.6，V：3.6-4.6，余量为Ti和不可避免的杂质。
2.一种高氧含量Ti6Al4V-Cu-O合金及其粉末冶金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按权利要求1中的组分称取原料，混合均匀后进行快速热压烧结，然后热轧，得到所述Ti6Al4V-Cu-O合金。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述混合方式包括球磨混合;
所述球磨混合，具体包括：球磨罐采用惰性气体保护气氛或添加乙醇进行保护，采用直径2～5mm的ZrO球，其中球料比为5:1～10:1，球磨时间为3～5h,球磨转速为250～280r/min。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述快速热压烧结，具体包括：先以50～100℃/min的升温速率升温至900～1100℃，保温5～10min，烧结压力50～80MPa，烧结真空度≤5×10-1Pa。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述热轧时的温度为900-1000℃，总变形量70%～75%，每道次变形量5%～10%，每道次回炉保温1～3min。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及钛合金材料领域，具体为一种高氧含量Ti6Al4V-Cu-O合金及其粉末冶金制备方法。
背景技术
[0002]钛及钛合金因高比强度、耐腐蚀性和生物相容性，广泛应用于航空航天、医疗器械等领域。Ti6Al4V作为典型α+β双相钛合金，占全球钛材消费量的50%以上，是航空发动机叶片、骨科植入体等关键部件的核心材料。然而，其机械加工过程中材料利用率极低，产生的大量高氧含量钛屑。高氧废料直接重熔会污染熔体，传统脱氧工艺成本高昂，导致每年数万吨钛废料难以回收。目前氧含量控制主要依赖物理脱氧和化学脱氧。前者需特种冶金设备，投资高达数亿元且处理量有限;后者需添加稀土，成本大幅增加，并引入粗大夹杂物，损害材料韧性。两种方法均以“被动降氧”为核心，工艺复杂性与经济性难以平衡，且未有效利用O在钛合金中的强化作用。
[0003]针对上述问题，本发明提出一种高氧含量Ti6Al4V-Cu-O合金及其粉末冶金制备方法，通过Cu元素调控O再分布，有效利用O的强化作用，实现高氧钛合金强塑性匹配，为低成本解决钛废料回收及粉末冶金面临的氧脆化难题提供了创新路径。
发明内容
[0004]发明的目的在于提供一种高氧含量Ti6Al4V-Cu-O合金及其粉末冶金制备方法，为实现上述目标，本发明的技术方案是：
[0005]一种高氧含量Ti6Al4V-Cu-O合金,按重量百分比计,该钛合金的化学成分为:Cu：1-4，O：0.3-1，Al：5.6-6.6，V：3.6-4.6，余量为Ti和不可避免的杂质。
[0006]作为优选的技术方案：所述钛合金中的Cu和O含量为重量百分比Cu：1-3，O：0.3-0.8。
[0007]优选的，所述合金的屈服强度为：1254～1621MPa;抗拉强度为1408～1769MPa;断裂延伸率为3.9～13.7%。
[0008]本发明还提供了上述高氧含量Ti6Al4V-Cu-O合金的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
[0009]按照用量称取Ti6Al4V、CuO、Cu2O粉体，进行球磨混合，通过旋蒸获取干燥的混合粉末。
[0010]将混合粉末置于石墨模具中，进行预压去除粉体间过多的孔隙，随后置于850～1100℃下进行快速热压烧结，保温5～10min，获得金属块体。
[0011]使用机械加工切削除去金属块体表面的石墨层和渗碳层，随后进行热轧，即可获得高氧含量Ti6Al4V-Cu-O合金。
[0012]优选的，所述球磨混合，包括：将称取的粉体倒入尼龙球磨罐中，球磨罐采用惰性气体保护气氛或添加乙醇进行保护;采用直径2～5mm的ZrO球，其中球料比为5:1～10:1，球磨时间为3～5h,球磨转速为250～280r/min。
[0013]优选的，所述快速热压烧结时采用的压力为50～80MPa，升温速率为50～100℃/min，烧结温度为850～1100℃，保温时间为：5～10min，真空度≤5×10-1Pa。
[0014]优选的，所述热轧时的温度为900～1000℃，总变形量70%～75%，每道次变形量5%～10%，每道次回炉保温1～3min。
[0015]与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
[0016](1)本发明通过廉价的Cu和O元素强化Ti6Al4V合金，增加了额外的固溶强化和析出强化。
[0017](2)本发明区别于传统的钛合金固溶时效热处理制度，充分利用Cu和O元素在钛合金中的优势，通过热变形快速获得高强的Ti6Al4V-Cu-O合金。
[0018](3)本发明所述的Ti6Al4V-Cu-O合金具有优异的力学性能，实现了强塑性匹配，抗拉强度≥1500MPa，断裂延伸率≥10%。
[0019](4)本发明通过控制Cu和O元素的成分配比，突破了高氧钛合金脆性的
[0020]难题，成功地将有害的O元素转化为有益的强化成分。
附图说明
[0021]图1为本发明实例1制备的Ti6Al4V-Cu-O合金的微观组织示意图;
[0022]图2为本发明实例2制备的Ti6Al4V-Cu-O合金的微观组织示意图;
[0023]图3为本发明实例3制备的Ti6Al4V-Cu-O合金的微观组织示意图;
[0024]图4为本发明实例4制备的Ti6Al4V-Cu-O合金的微观组织示意图;
[0025]图5为本发明实例5制备的Ti6Al4V-Cu-O合金的微观组织示意图;
[0026]图6为本发明实例制备的Ti6Al4V-Cu-O合金的力学性能曲线;
[0027]图7为本发明对比例制备的Ti6Al4V-Cu-O合金的力学性能曲线;
具体实施方式
[0028]为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，但所举实施例不作为对本发明的限定，应该理解为是针对发明的某些方面、特性和实施方案的更详细描述
[0029]应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内，这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
[0030]除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
[0031]关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
[0032]本发明提供一种高氧含量的Ti6Al4V-Cu-O合金，以质量百分比计，包括以下组分：Cu：1-4，O：0.3-1，Al：5.6-6.6，V：3.6-4.6，余量为Ti和不可避免的杂质，制备方法包括以下步骤：
[0033]按照上述组分称取原料。球磨混合均匀后真空快速热压烧结及热轧获得Ti6Al4V-Cu-O合金。
[0034]本发明原料混合的方式为球磨混粉;球磨混粉的球料比为5:1～10:1，转速为250～280r/min，混粉时间为3～5h，球磨珠的直径为2～5mm，材质为ZrO。
[0035]所述混合在惰性气体保护气氛或乙醇下进行。
[0036]本发明的快速热压烧结具体包括：先将混合粉末置于石墨模具中，进行预压去除粉体间过多的孔隙，以50～100℃/min的升温速率升温至850～1100℃下保温5～10min，烧结压力为50～80MP，真空度≤5×10-1Pa。
[0037]使用机械加工切削除去金属块体表面的石墨层和渗碳层。
[0038]本发明的热轧具体包括：先在900℃的管式炉中保温5～10min，随后进行热轧，轧制变形量70%～75%，每道次变形量5%～10%，每道次回炉保温1～3min。
[0039]本发明采用的Ti6Al4V粉、CuO粉和Cu2O粉的纯度均为99.9%，且均购买于市售。
[0040]实施例1
[0041]一种高氧含量Ti6Al4V-Cu-O合金及其粉末冶金制备方法的具体制备步骤如下：
[0042](1)称量：按Ti6Al4V-1.18Cu-0.38O合金的质量比完成称量，其中Ti6Al4V粉：200g，CuO粉：3g。
[0043](2)球磨混粉：将步骤(1)中的粉末倒入球磨罐(容量500mL)中，控制球料比为5:1(球磨珠直径3mm，材质为ZrO)，球磨转速为275
[0044]r/min，球磨时间为4h，得到Ti6Al4V-1.18Cu-0.38O混合粉末。
[0045](3)将步骤(2)中获得的粉末进行旋蒸干燥。
[0046](4)将步骤(3)中干燥的混合粉末装入石墨模具中，模具直径25mm。
[0047](5)快速热压烧结：将步骤(4)中装好混合粉末的石墨模具四周包上石墨保温毡(有效维持温度)，放入快速热压烧结炉中进行烧结，烧结过程中的真空度≤5×10-1Pa，升温速率100℃/min，900℃保温10min，烧结压力50MPa。烧结完成后炉冷。
[0048](6)将步骤(5)中获得的金属块体进行机械加工切削除去表面的石墨层和渗碳层。
[0049](7)热轧：将步骤(6)中获得的金属块体放入900℃的管式炉中保温10
[0050]min进行热轧，轧制变形量75%，每道次变形量7.5%，每道次回炉保温2min。最终得到Ti6Al4V-1.18Cu-0.38O合金
[0051]实施例2：
[0052]同实施例1，区别仅在于步骤(1)中：称量：按Ti6Al4V-1.95Cu-0.57O合金的质量比完成称量，其中Ti6Al4V粉：200g，CuO粉：5g。
[0053]实施例3：
[0054]同实施例1，区别仅在于步骤(1)中：称量：按Ti6Al4V-2.7Cu-0.76O合金的质量比完成称量，其中Ti6Al4V粉：200g，CuO粉：7g。
[0055]实施例4：
[0056]同实施例1，区别仅在于步骤(1)中：称量：按Ti6Al4V-1.95Cu-0.25O合金的质量比完成称量，其中Ti6Al4V粉：200g，Cu2O粉：4.5g。
[0057]实施例5：
[0058]同实施例1，区别仅在于步骤(1)中：称量：按Ti6Al4V-2Cu-0.33O合金的质量比完成称量，其中Ti6Al4V粉：200g，CuO粉：1.67g，Cu2O粉：3g。
[0059]对比例1：
[0060]同实施例1，区别仅在于步骤(1)中：称量：按Ti6Al4V-0.59O合金的质量比完成称量，其中Ti6Al4V粉：200g，Ti2O粉：2.95g。
[0061]对比例2：
[0062]同实施例1，区别仅在于步骤(1)中：称量：按Ti6Al4V-1.93Cu合金的质量比完成称量，其中Ti6Al4V粉：200g，Cu粉：3.86g。
[0063]本实施例1至5中制备的Ti6Al4V-Cu-O合金微观组织见图1至图5。
[0064]本实施例和对比例制备的Ti6Al4V-1.93Cu合金以及Ti6Al4V-Cu-O与Ti6Al4V-0.5合金的准静态拉伸应力应变曲线见图6和图7，其力学性能见表1。
[0065]表1合金的力学性能
[0066]
屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)延伸率(%)实施例11254140812.6实施例2144116206.8实施例3162117693.9实施例41395155511.5实施例5146016769.6对比例11447------对比例21275137813.6
[0067]从表1中的对比例可以看出，在Ti6Al4V中单独添加Cu元素对合金的;力学性能提升有限，而高氧状态下的Ti6Al4V合金在屈服前就发生脆性断裂。本发明通过添加特定比例的Cu和O元素，有效的提高了Ti6Al4V合金的力学性能，将钛合金中有害的O元素转变为有利的强化成分。
[0068]以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
说明书附图(7)
