本发明涉及钛合金材料领域，具体的说，是涉及一种汽车零部件用钛合金材料的制备方法。
背景技术：
钛合金因自身具有极高的强度、耐腐蚀性和耐热、耐冷性能等特性，广泛地应用在航空航天、海洋发电和化工冶炼等领域。当前，受到国际油价上升和人们生活水平提高对汽车需求增大的影响，钛合金开始广泛地应用到汽车行业，以此减轻汽车的重量和提升汽车的综合性能，钛合金在汽车制造业的优越性能逐渐被汽车制造商所认可。随着冶炼技术和制备工艺的不断提高和创新，低成本的钛合金随之被研发出来，并开始将钛合金广泛地应用于普通汽车的制造中。例如，汽车用钛合金弹簧相比钢弹簧能够减少60%的重量，其弹簧高度也随之降低40%。
在当前，用钛合金生产的汽车零部件主要包括连杆、凸轮轴、进出气阀、气门弹簧和一些其他的重要的辅助配件，例如排气管、消音器、悬挂弹簧和密封零件等。目前钛合金用于汽车零部件生产的种类主要以工业纯钛和钛合金为主。使用工业纯钛的主要原因不仅其质量轻，同时具备良好的室温塑性和耐腐蚀性。而使用钛合金除了具备质量轻的特点外，还有优良的综合力学和耐腐蚀性能。
汽车零部件在工作状态时，不单要承受低周疲劳的往复拉压载荷，同时也要承受高周疲劳的高速运转所带来的离心力冲击载荷。所以，对于汽车零部件用钛合金材料的要求不仅要有良好的抗拉强度以实现高周疲劳的要求，此外还要具备优良的塑性达到低周疲劳的使用要求。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种汽车零部件用钛合金材料的制备方法，使钛合金材料能够具有优良的强塑配合，且在应用时抗疲劳性和使用寿命良好。具体如下：
一种汽车零部件用钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述钛合金材料的组成成分中al的质量百分比大于除ti以外的所有其他元素的质量百分比之和；所述钛合金材料的制备方法包括以下步骤：
(1)铸造所述钛合金材料，之后经多向锻造锻成钛合金板坯，开坯锻造温度为相变点以上100~200℃，成形锻造温度为相变点以下20~50℃；
(2)将所述钛合金板坯在加热炉中加热到850~900℃，出炉进行经5~7个道次的热轧，温度控制在650~800℃范围，终轧温度为650~670℃，轧制后水冷或空冷，冷却速度大于10~15℃/s，最后在低于500℃时卷取；
(3)冷加工所述热轧后的钛合金板坯，使所述钛合金材料具有第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分，将所述第一部分进行变形量大于25％的冷加工，并将所述第二部分进行比所述第一部分少5~10％变形量的冷加工；
(4)将所述冷加工后的钛合金材料采用感应加热的方式，加热至680~720℃，保温时间为0.5~1h，空冷至室温，然后二次加热至650~700℃，保温1~2h后水淬，然后在550~600℃回火保温1~2h，然后空冷至室温，即得到汽车零部件用钛合金材料；
优选地，所述钛合金材料表面的位错密度平均为7.0×1014~7.5×1014m-2。
优选地，所述钛合金材料的原料包含以下元素：al:4.5~6.5％、fe:2.0~3.5％、si:1.0~1.5％、cr:0.5~1.0％、zr:0.5~1.0％、v:0.1~0.5％，余量为ti，上述百分比为质量百分比。
优选地，所述钛合金材料的原料还包含以下元素成分：nb:0.015~0.025％、ga:0.005~0.015％、ce:0.010％以下和co:0.010％以下，上述百分比为质量百分比。
所述钛合金材料的第一部分具有第一抗拉强度为950~1000mpa，所述钛合金材料的第二部分具有第二抗拉强度为650~700mpa。
所述钛合金构件的第一部分具有第一延伸率为10~12%，所述钛合金构件的第二部分具有第二延伸率为18~20%。
本发明的优点是：本发明通过对钛合金材料的al元素等主要成分的比例调整和加入nb、ga等辅助元素，以及锻造、热轧等制备工艺优化，控制了钛合金的组织均匀性，改善了其加工性能，并通过冷加工和热处理相配合，获得了具有第一部分和第二部分的钛合金材料，使得制成的部件的第二部分与能量吸收区相关联，具有较高延展性和较低强度，而其第一部分与加强区相关联，具有较高强度和较低延展性，进而保证了在汽车零部件应用时的抗疲劳性和使用寿命良好。
具体实施方式
钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：（1）稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。（2）稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。应用了钛合金的产品前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。（3）对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度，对钛合金有显著强化效果，但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2%和0.04～0.05%以下。氢在α相中溶解度很小，钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在0.015%以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。综上，本发明根据实际产品需要，选择了al、fe、si、mn、zr、zn等主要添加元素，以及sn、ga、v和mo等附加元素，来改善钛合金板材的机械性能和加工性能。
钛合金的加工方法主要有铸造、锻造、冲压与轧制等。近几年，钛合金的等温锻造发展迅速，因为等温锻造可以严格控制钛合金的锻造温度，受外界影响较少，工件的报废率较低。轧制技术相对于锻造技术最大的优点是生产效率高，但也有许多难以解决的问题存在，合理调控轧制工艺才能使轧制产品满足形状与性能的要求。以钛合金板材轧制为例：钛合金在轧制过程中与空气、轧辊、冷却水等接触，表面散热较快，温度较低，而轧件心部由于钛合金的导热率低和变形生热的缘故，温度反而上升，这样就导致轧件的表面与心部温差很大，轧制时容易产生表面裂纹。同时，钛合金在高温时容易析氢腐蚀，氧化严重，增加了钛合金板的轧制难度。钛合金板的压下量也很难控制，钛合金轧制的变形量大，有利于细化组织、提升材料的力学性能，变形量小，在变形过程中只发生动态回复；但是钛合金的塑性差、变形抗力大，较大的变形量容易引起轧件开裂，并且轧制力很大，对轧制设备的承载能力要求也较高。
下面结合实施例和对比例对本专利进一步详细说明。
实施例1：
一种汽车零部件用钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述钛合金材料的组成成分中al的质量百分比大于除ti以外的所有其他元素的质量百分比之和；所述钛合金材料的制备方法包括以下步骤：(1)铸造所述钛合金材料，之后经多向锻造锻成钛合金板坯，开坯锻造温度为相变点以上100℃，成形锻造温度为相变点以下20℃；(2)将所述钛合金板坯在加热炉中加热到850℃，出炉进行经5个道次的热轧，温度控制在650~800℃范围，终轧温度为650℃，轧制后水冷或空冷，冷却速度大于10℃/s，最后在低于500℃时卷取；(3)冷加工所述热轧后的钛合金板坯，使所述钛合金材料具有第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分，将所述第一部分进行变形量大于25％的冷加工，并将所述第二部分进行比所述第一部分少5％变形量的冷加工；(4)将所述冷加工后的钛合金材料采用感应加热的方式，加热至680℃，保温时间为0.5h，空冷至室温，然后二次加热至650℃，保温1h后水淬，然后在550℃回火保温1h，然后空冷至室温，即得到汽车零部件用钛合金材料；所述钛合金材料表面的位错密度平均为7.0×1014~7.5×1014m-2。所述钛合金材料的原料包含以下元素：al:4.5％、fe:2.0％、si:1.0％、cr:0.5％、zr:0.5％、v:0.1％，余量为ti，上述百分比为质量百分比。所述钛合金材料的第一部分具有第一抗拉强度为950~1000mpa，所述钛合金材料的第二部分具有第二抗拉强度为650~700mpa。所述钛合金构件的第一部分具有第一延伸率为10~12%，所述钛合金构件的第二部分具有第二延伸率为18~20%。
实施例2：
一种汽车零部件用钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述钛合金材料的组成成分中al的质量百分比大于除ti以外的所有其他元素的质量百分比之和；所述钛合金材料的制备方法包括以下步骤：(1)铸造所述钛合金材料，之后经多向锻造锻成钛合金板坯，开坯锻造温度为相变点以上200℃，成形锻造温度为相变点以下50℃；(2)将所述钛合金板坯在加热炉中加热到900℃，出炉进行经7个道次的热轧，温度控制在650~800℃范围，终轧温度为670℃，轧制后水冷或空冷，冷却速度大于15℃/s，最后在低于500℃时卷取；(3)冷加工所述热轧后的钛合金板坯，使所述钛合金材料具有第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分，将所述第一部分进行变形量大于25％的冷加工，并将所述第二部分进行比所述第一部分少10％变形量的冷加工；(4)将所述冷加工后的钛合金材料采用感应加热的方式，加热至720℃，保温时间为1h，空冷至室温，然后二次加热至700℃，保温2h后水淬，然后在600℃回火保温2h，然后空冷至室温，即得到汽车零部件用钛合金材料；所述钛合金材料表面的位错密度平均为7.0×1014~7.5×1014m-2。所述钛合金材料的原料包含以下元素：al:6.5％、fe:2.0％、si:1.5％、cr:0.5％、zr:0.5％、v:0.5％，nb:0.015％、ga:0.005％、ce:0.010％以下和co:0.010％以下，余量为ti，上述百分比为质量百分比。所述钛合金材料的抗拉强度为1000mpa，延伸率为15%。所述钛合金材料的第一部分具有第一抗拉强度为950~1000mpa，所述钛合金材料的第二部分具有第二抗拉强度为650~700mpa。所述钛合金构件的第一部分具有第一延伸率为10~12%，所述钛合金构件的第二部分具有第二延伸率为18~20%。
实施例3：
一种汽车零部件用钛合金材料的制备方法，其特征在于：所述钛合金材料的组成成分中al的质量百分比大于除ti以外的所有其他元素的质量百分比之和；所述钛合金材料的制备方法包括以下步骤：(1)铸造所述钛合金材料，之后经多向锻造锻成钛合金板坯，开坯锻造温度为相变点以上150℃，成形锻造温度为相变点以下40℃；(2)将所述钛合金板坯在加热炉中加热到880℃，出炉进行经5~7个道次的热轧，温度控制在650~800℃范围，终轧温度为660℃，轧制后水冷或空冷，冷却速度大于12℃/s，最后在低于500℃时卷取；(3)冷加工所述热轧后的钛合金板坯，使所述钛合金材料具有第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分，将所述第一部分进行变形量大于25％的冷加工，并将所述第二部分进行比所述第一部分少8％变形量的冷加工；(4)将所述冷加工后的钛合金材料采用感应加热的方式，加热至700℃，保温时间为0.5h，空冷至室温，然后二次加热至680℃，保温1.5h后水淬，然后在580℃回火保温1.5h，然后空冷至室温，即得到汽车零部件用钛合金材料；所述钛合金材料表面的位错密度平均为7.0×1014~7.5×1014m-2。所述钛合金材料的原料包含以下元素：al:6.0％、fe:3.5％、si:1.0％、cr:0.5％、zr:0.5％、v:0.3％，nb:0.025％、ga:0.015％、ce:0.010％以下和co:0.010％以下，余量为ti，上述百分比为质量百分比。所述钛合金材料的抗拉强度为980mpa，延伸率为13%。所述钛合金材料的第一部分具有第一抗拉强度为950~1000mpa，所述钛合金材料的第二部分具有第二抗拉强度为650~700mpa。所述钛合金构件的第一部分具有第一延伸率为10~12%，所述钛合金构件的第二部分具有第二延伸率为18~20%。
对比例1：
将不同于本发明钛合金的成分作为原料，特别是al元素的含量不足或缺少ga等元素时，由于元素成分和比例的改变，导致熔炼后形成的板坯结构发生变化，热轧和冷加工过程中将由于本身坯料塑性差的缘故而容易开裂，其成品即使同样的后续热处理等工艺，所得到的钛合金材料的最大抗拉强度低于本发明钛合金材料的第一部分，延伸率低于本发明钛合金材料的第二部分。
对比例2：
将元素成分和比例与本发明技术方案相同的钛合金，不进行本发明的冷加工时，仅采用现有技术中的冷加工方式，其所得到的钛合金材料产品无法满足汽车零部件的要求，无法达到本发明具有第一部分和第二部分的整体式钛合金材料制成的部件，使得第二部分与能量吸收区相关联，具有较高延展性和较低强度，并且第一部分与加强区相关联，具有较高强度和较低延展性的技术效果。
由实施例1-2和对比例1-2可以看出，本发明通过对钛合金板材的al元素等主要成分的比例调整和加入nb、ga等辅助元素，以及轧制、退火、表面处理等制备工艺优化，控制了钛合金的组织均匀性，改善了其加工性能，解决了轧制过程困难、涂层易脱落等问题，并且使钛合金板材成品能够具有高强度和高塑性。
尽管已经示出和描述了本专利的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本专利的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本专利的范围由权利要求及其等同物限定。