本发明涉及一种钛合金及其型材制备方法，特别是涉及一种低钒低钼、超低钒超低钼或无钒无钼的单相态钛合金及其型材制备方法，应用于低成本钛合金材料制备技术领域。
背景技术：
此外，钛及钛合金因无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性等特点成为了医学领域里非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。
α 合金在室温和使用温度下具有 α 型单相态，不能热处理强化，主要依靠固溶强化。室温强度一般低于 β 型和 α+β 型钛合金，而在500-600℃高温下的强度却是三类钛合金中最高的，且组织稳定，抗氧化性和焊接性能好，耐蚀性和可切削加工性能也较好，但室温冲压性能差，塑性低，而热塑性仍然良好。其中使用最广的是TA7，它在退火状态下具有中等强度和足够的塑性，焊接性能良好，可在500℃以下使用，当其氧、氢、氮等间隙杂质元素含量极低时，在超低温时还具有良好的韧性和综合力学性能，是优良的超低温合金之一，但其强度还不够理想，加工工艺塑性也不太理想，影响了其有关材料领域的广泛应用。
技术实现要素：
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金及其板材和棒材的制备方法，使用了廉价的合金元素Fe、Cr、Zr作为钛合金的强化元素，本发明 α 钛合金的室温强度不低于1000Mpa，利用本发明可以进一步扩大 α 钛合金的使用范围。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金，其组分的质量百分数为：5.0-7.0wt%的铝，0.3-1.0wt%的铁，3.0-4.0wt%的铬、0.3-1.0wt%的锆，余量为钛和不可避免的杂质。
作为本发明优选的技术方案，其组分的质量百分数为：5.99-6.11wt%的铝、0.73-0.81wt%的铁、3.5-3.69wt%的铬、0.77-0.87wt%的锆、0-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氢，余量为钛。
作为本发明进一步优选的技术方案，其组分的质量百分数为：6.0wt%的铝、0.8wt%的铁、3.5wt%的铬、0.8wt%的锆、0-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氢，余量为钛。
一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金的板材制备方法，当将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料时，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：5.0-7.0wt%的铝，0.3-1.0wt%的铁，3.0-4.0wt%的铬、0.3-1.0wt%的锆，余量为钛，将完成配料后的各原料组分材料置入箱式电阻炉中，在箱式电阻炉中，对各原料组分材料进行预处理，在120-150℃的预处理温度下保温10-12 h，然后再将各原料组分材料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼3-5次制成铸锭，再将所得铸锭加热到780-820℃，在横列式轧机上将铸锭轧制成厚度为6-8mm的 α 钛合金板材。优选采用真空退火的热处理方式对所制备的 α 钛合金板材进行轧制后热处理，控制退火温度为500-520℃，保温时间为1.5-2.5 h，冷却方式为空冷。
一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金的棒材制备方法，当将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料时，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：5.0-7.0wt%的铝，0.3-1.0wt%的铁，3.0-4.0wt%的铬、0.3-1.0wt%的锆，余量为钛，将完成配料后的各原料组分材料混合后采用挤压法制成电极块，然后在真空等离子箱内焊接成真空电极，然后通过3-5次真空自耗电极电弧熔炼制成铸锭，铸锭在1000-1100℃温度下经过开坯锻造成直径Φ40-50 mm的轧制棒坯，然后棒坯加热到780-820℃，在横列式轧机上轧制成直径Φ18-20 mm的 α 钛合金棒材。优选采用真空退火的热处理方式对所制备的 α 钛合金棒材进行轧制后热处理，控制退火温度为500-520℃，保温时间为1.5-2.5 h，冷却方式为空冷。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明制备的 α 钛合金含有Fe、Cr、Zr合金元素，代替传统含钼和钒的钛合金，成本显著降低，适用于更多对材料成本敏感的应用领域；
2. 本发明 α 钛合金退火后为 α 单相组织，其室温强度不低于1000Mpa，高于TA7的室温强度，利用本发明 α钛合金能进一步扩大 α 钛合金的使用范围。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金，其合金组分的质量百分数为：5.99wt%的铝、0.73wt%的铁、3.52wt%的铬、0.77wt%的锆、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氢，余量为钛。
本实施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金的板材制备方法，首先将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：5.99wt%的铝、0.73wt%的铁、3.52wt%的铬、0.77wt%的锆，其它原料为钛，将完成配料后的各原料组分材料置入箱式电阻炉中，在箱式电阻炉中，对各原料组分材料进行预处理，在150℃的预处理温度下保温12 h，然后再将各原料组分材料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼4次制成铸锭，再将所得铸锭加热到800℃，在横列式轧机上将铸锭轧制成厚度为6-8mm的 α 钛合金板材；然后采用真空退火的热处理方式对所制备的 α 钛合金板材按表2的热处理制度进行轧制后热处理，控制退火温度为520℃，保温时间为2 h，冷却方式为空冷，最终制成 α 钛合金板材的标准样品，其合金组分含量见表1。然后参照GB/T228.1-2010，对 α 钛合金板材的标准样品进行室温力学性能实验测试，其力学性能测量结果见表2。
本实施例制备的 α 钛合金板材的室温抗拉强度大于1000Mpa，高于TA7的室温强度，利用本实施例制备的 α 钛合金能进一步扩大 α 钛合金的使用范围。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金，其合金组分的质量百分数为：6.0wt%的铝、0.8wt%的铁、3.5wt%的铬、0.8wt%的锆、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氢，余量为钛。
本实施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金的板材制备方法，首先将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬、纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：6.0wt%的铝、0.8wt%的铁、3.5wt%的铬、0.8wt%的锆，其它原料为钛，将完成配料后的各原料组分材料置入箱式电阻炉中，在箱式电阻炉中，对各原料组分材料进行预处理，在150℃的预处理温度下保温12 h，然后再将各原料组分材料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼4次制成铸锭，再将所得铸锭加热到800℃，在横列式轧机上将铸锭轧制成厚度为6-8mm的 α 钛合金板材；然后采用真空退火的热处理方式对所制备的 α 钛合金板材按表4的热处理制度进行轧制后热处理，控制退火温度为520℃，保温时间为2 h，冷却方式为空冷，最终制成 α 钛合金板材的标准样品，其合金组分含量见表3。然后参照GB/T228.1-2010，对 α 钛合金板材的标准样品进行室温力学性能实验测试，其力学性能测量结果见表4。
本实施例制备的 α 钛合金板材的室温抗拉强度大于1000Mpa，高于TA7的室温强度，利用本实施例制备的 α 钛合金能进一步扩大 α 钛合金的使用范围。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金，其合金组分的质量百分数为：6.11wt%的铝、0.81wt%的铁、3.69wt%的铬、0.87wt%的锆、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氢，余量为钛。
实施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金的棒材制备方法，其特征在于，将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：6.11wt%的铝、0.81wt%的铁、3.69wt%的铬、0.87wt%的锆，其它原料为钛，将完成配料后的各原料组分材料混合后采用挤压法制成电极块，然后在真空等离子箱内焊接成真空电极，然后通过4次真空自耗电极电弧熔炼制成铸锭，铸锭在1050℃温度下经过开坯锻造成直径为Φ45mm的轧制棒坯，然后棒坯加热到800℃，在横列式轧机上轧制成直径为Φ20mm的 α 钛合金棒材；然后采用真空退火的热处理方式对所制备的 α 钛合金棒材按表6的热处理制度进行轧制后热处理，控制退火温度为520℃，保温时间为2h，冷却方式为空冷，最终制成 α 钛合金棒材的标准样品，其合金组分含量见表5。然后参照GB/T228.1-2010，对 α 钛合金棒材的标准样品进行室温力学性能实验测试，其力学性能测量结果见表6。
本实施例制备的 α 钛合金棒材的室温抗拉强度大于1000Mpa，高于TA7的室温强度，利用本实施例制备的 α 钛合金能进一步扩大 α 钛合金的使用范围。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金，其合金组分的质量百分数为：6.0wt%的铝、0.8wt%的铁、3.5wt%的铬、0.8wt%的锆、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氢，余量为钛和不可避免的杂质。
实施例含Fe、Cr、Zr合金元素的α钛合金的棒材制备方法，其特征在于，将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：6.0wt%的铝、0.8wt%的铁、3.5wt%的铬、0.8wt%的锆，其它原料为钛，将完成配料后的各原料组分材料混合后采用挤压法制成电极块，然后在真空等离子箱内焊接成真空电极，然后通过4次真空自耗电极电弧熔炼制成铸锭，铸锭在1050℃温度下经过开坯锻造成直径为Φ45mm的轧制棒坯，然后棒坯加热到800℃，在横列式轧机上轧制成直径为Φ20mm的α钛合金棒材；然后采用真空退火的热处理方式对所制备的 α 钛合金棒材按表8的热处理制度进行轧制后热处理，控制退火温度为520℃，保温时间为2h，冷却方式为空冷，最终制成 α 钛合金棒材的标准样品，其合金组分含量见表7。然后参照GB/T228.1-2010，对 α 钛合金棒材的标准样品进行室温力学性能实验测试，其力学性能测量结果见表8。
本实施例制备的 α 钛合金棒材的室温抗拉强度大于1000Mpa，高于TA7的室温强度，利用本实施例制备的 α 钛合金能进一步扩大 α 钛合金的使用范围。
上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 钛合金及其板材和棒材的制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。