一种高强度锆钛铝铁钒合金及其制备方法与流程

本发明涉及一种锆钛基合金及其制备方法。

背景技术：

锆和钛在元素中期表中属于同一主族，锆合金和钛合金具有很多相似的特性，如强度高、耐蚀性好、耐热性好、生物相容性好等。金属锆具有中子吸收面积小、高耐蚀性和高熔点(1860℃)等特性，使得其在核工业中得到了广泛的应用。钛合金具有高比强度及优异的高温性能等特性，在机械自动化和航空工业中得到了重要应用。随着锆钛合金种类的不断丰富和发展，锆钛合金作为工程结构件材料逐渐得到关注，其在许多方面尤其是在航空航天工业领域中的应用越来越多。但是，锆钛基合金的铸态组织粗大，导致强度低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高强度锆钛铝铁钒合金及其制备方法。本发明主要是以钛锆两种元素为合金主体，通过加入一定量的铝、铁、钒以及进行热加工处理，制备出具有较高强度的锆钛基合金及制备方法。

1、本发明的锆钛铝铁钒合金:

本发明的高强度锆钛铝铁钒合金其化学成分质量百分比为：锆含量为29.5-30.5％，铝的含量为4.5-5.5％，钒的含量为2.5-3.5％，铁的含量为0.5-2.0％，其余为钛和不可避免的杂质。

2、上述锆钛铝铁钒合金制备方法：

(1)预处理：对原材料进行打磨并用超声波清洗，最后用吹风机吹干；

(2)铸锭：将步骤(1)的原材料混合后放入真空非自耗熔炼炉中，于真空度2.0×10^-2Pa熔炼至少8遍，每次每个样品熔炼的时间为1-1.5min，以保证得到成分均匀的锆钛铝铁钒合金锭；

(3)热轧：将步骤(2)得到的锆钛铝铁钒合金锭放入马弗炉中并将马弗炉加热至900-1000℃，保温30-60min，随后将合金锭快速转移至轧制机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在上述温度保温3-5min，随后快速进行第二次轧制变形，依此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的9-11％，最后使合金锭变形量达到70％；在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温；将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到高强度锆钛合金。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、合金强度高、硬度高，其屈服强度为1299-1553MPa，抗拉强度为1420-1667MPa，维氏硬度为436-483HV。

2、由于在合金原料中加入了铁元素，达到稳定β相的目的，铁作为一种价格低廉的β相稳定剂在本发明中被引入可改善合金性能，通过大量实验发现，铁具有细化合金晶粒，提高合金强度的作用。

3、本发明制备方法简便、易操作。

附图说明

图1是本发明实施例1-4熔炼合金轧制态X射线衍射图。

图2是本发明实施例1熔炼合金热轧后拉伸力学曲线图。

图3是未加铁合金的透射图。

图4是本发明实施例1熔炼合金轧制态的透射图。

图5是本发明实施例2熔炼合金轧制态的透射图。

图6是本发明实施例3熔炼合金轧制态的透射图。

说明：

从图1可以看出随着铁含量的增加，合金相组成由α相转变为β相；

从图2可以看出该合金拉伸强度达到1420MPa，拉伸率达到5％；

从图3可以看出其中板条状晶体属于α相晶粒(通过对应的SAED数据判断得出)，较为粗大。

从图4可以看出其中针状晶体属于α相晶粒(通过对应的SAED数据判断得出)，较图3中α相晶粒细窄，是铁元素含量升高的效果。

从图5、6可以得出相同的结论：铁元素能使α相晶粒变小，合金强度更高。

具体实施方式

实施例1

取工业级海绵锆23.6g、海绵钛49.2g、纯钒2.8g、纯铝4.0g、铁0.4g，置于非自耗真空电弧熔炼炉中，于真空度2.0×10^-2Pa反复熔炼9遍，每次每个样品的熔炼时间1.0分钟，得到成分均匀的合金铸锭。将熔炼好的合金铸锭在熔炼炉中冷却10分钟后取出。将马弗炉升温至1000℃，放入合金铸锭保温30分钟，保证铸锭全部热透，从马弗炉中取出铸锭，快速转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后再放入马弗炉中保温3分钟，取出再快速进行第二次同向轧制，依此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的9％，最后使合金锭变形量达到70％；在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温；将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到高强度锆钛合金。

采用在线切割机将轧制后的合金加工成标准拉伸试样，在instron5982力学性能测试机上测试其拉伸力学性能，拉伸速度为：0.375mm/min，并用引伸计全程跟踪测量试样在拉伸过程中的长度变化。具体实验数据见表1。

实施例2

取工业级海绵锆24.0g、海绵钛48.8g、纯钒2.8g、纯铝3.6g、铁0.8g，置于非自耗真空电弧熔炼炉中，于真空度2.0×10^-2Pa反复熔炼9遍，每次每个样品的熔炼时间1.5分钟，得到成分均匀的合金铸锭。将熔炼好的合金铸锭在熔炼炉中冷却10分钟后取出。将马弗炉升温至950℃，放入合金铸锭保温40分钟，保证铸锭全部热透，从马弗炉中取出铸锭，快速转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后再放入马弗炉中保温4分钟，取出再快速进行第二次同向轧制，依此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的10％，最后使合金锭变形量达到70％；在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温；将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到高强度锆钛合金。

采用在线切割机将轧制后的合金加工成标准拉伸试样，在instron5982力学性能测试机上测试其拉伸力学性能，拉伸速度为：0.375mm/min，并用引伸计全程跟踪测量试样在拉伸过程中的长度变化。具体实验数据见表1。

实施例3

取工业级海绵锆24.4g、海绵钛48.8g、纯钒2.0g、纯铝4.0g、铁1.2g，置于非自耗真空电弧熔炼炉中，于真空度2.0×10^-2Pa反复熔炼9遍，每次每个样品的熔炼时间1.5分钟，得到成分均匀的合金铸锭。将熔炼好的合金铸锭在熔炼炉中冷却10分钟后取出。将马弗炉升温至900℃，放入合金铸锭保温50分钟，保证铸锭全部热透，从马弗炉中取出铸锭，快速转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后再放入马弗炉中保温5分钟，取出再快速进行第二次同向轧制，依此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的11％，最后使合金锭变形量达到70％；在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温；将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到高强度锆钛合金。

采用在线切割机将轧制后的合金加工成标准拉伸试样，在instron5982力学性能测试机上测试其拉伸力学性能，拉伸速度为：0.375mm/min，并用引伸计全程跟踪测量试样在拉伸过程中的长度变化。具体实验数据见表1。

实施例4

取工业级海绵锆24.0g、海绵钛48.0g、纯钒2.0g、纯铝4.4g、铁1.6g，置于非自耗真空电弧熔炼炉中，于真空度2.0×10^-2Pa反复熔炼9遍，每次每个样品的熔炼时间1.5分钟，得到成分均匀的合金铸锭。将熔炼好的合金铸锭在熔炼炉中冷却10分钟后取出。将马弗炉升温至900℃，放入合金铸锭保温60分钟，保证铸锭全部热透，从马弗炉中取出铸锭，快速转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后再放入马弗炉中保温5分钟，取出再快速进行第二次同向轧制，依此循环，每次下压量控制在合金锭初始厚度的11％，最后使合金锭变形量达到70％；在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中冷却至室温；将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮和表面修磨得到高强度锆钛合金。

采用在线切割机将轧制后的合金加工成标准拉伸试样，在instron5982力学性能测试机上测试其拉伸力学性能，拉伸速度为：0.375mm/min，并用引伸计全程跟踪测量试样在拉伸过程中的长度变化。具体实验数据见表1。

表1本发明合金与现有技术合金力学性能测试对比表

从图上可以看出，本发明的屈服强度是现有技术合金的2-3倍。