一种MAX相强化的锆钛铝钒合金及其制备方法与流程

本发明涉及一种合金材料及其制备方法。
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。锆钛基合金的铸态组织粗大，为了提高其力学性能，通常是采用锻造手段，工业上一般是经过三次以上的墩拔来细化原始的粗大晶粒，从而达到提高力学性能的目的。但这种方法需要配套大型加热炉和锻造设备，而且锻造温度的控制困难。每次锻造之前，还需要对上一次形成的锻坯进行车削加工或表面打磨以去除表面的氧化层，这些附加的工艺过程都会导致锆钛基合金的制造周期和成本增加。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种不需要大型加热炉和锻造设备并用较短的制造周期就能获得成本低的max相(ti3alc2)强化的锆钛铝钒合金及其制备方法。本发明主要是以zrtialv系合金为基体，将通过sps(等离子放电烧结)方法得到的纯ti3alc2加入基体中，经非自耗电弧熔炼炉，得到强化的锆钛基合金。1、本发明的max相强化的锆钛铝钒合金的原材料的配比为：锆质量分数为20％-51％，铝的质量分数为6％，钒的质量分数为4％，max相(ti3alc2)的质量分数为0.5-2.0％，剩余的质量分数为钛与不可避免的杂质。2、上述max相强化的锆钛铝钒合金制备方法：(1)备料：max相(ti3alc2)采用sps(等离子放电烧结)得到纯的ti3alc2，捣碎，与锆钛铝钒(zrtialv)合金系分别置于无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净，烘干后按配比称量；(2)铸锭：将步骤(1)中所述的原材料放入真空非自耗熔炼炉中熔炼8遍，熔炼时真空度为2.0×10-2pa，熔炼电流保持在300a,每次每个样品熔炼时间为2min，每次熔炼完成之后，等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次的熔炼，以保证得到成分均匀的锆钛合金铸锭；本发明与现有技术相比具有如下优点：1、能把直接加碳熔炼不易生成的max相(ti3alc2)均匀分布到锆钛基合金基体中去。2、利用了max相(ti3alc2)的组织结构特点添加到锆钛基合金来达到细化组织改善合金力学性能的目的。3、不需要大型加热炉和锻造设备仅用较短的制造周期就能获得成本低的产品。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1-4铸态扫描电镜形貌图；图3是本发明实施例4的轧制态透射电镜图。对上述附图内容的说明：图1表明随着max相(ti3alc2)的加入量增加，在xrd峰谱上逐渐能观察到ti3alc2的峰位置的出现，并且还能观察到高温分解的tic的峰强。图2表明随着max相(ti3alc2)的加入量增加，基体组织细化，并在2％添加量中能看到条状的max相(ti3alc2)析出物。图3表明通过saed数据验证了析出相的成分中有max相(ti3alc2)。具体实施方式实施例1(对比实例)切取锻造态的20zr(ti-20zr-6al-4v)63.5g，将其放在无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净后，用吹风机吹干，置于非自耗真空电弧熔炼炉中反复熔炼8遍，真空度为2.0×10-2pa，熔炼电流保持在300a,每次样品熔炼时间为2min，每次熔炼完成之后，等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次的熔炼。得到成分均匀的合金铸锭。在线切割机上在铸锭上切取高度为10mm直径为5mm的压缩棒，并利用砂纸将表面除去氧化皮，在instron5982力学性能测试机上测试其压缩力学性能，具体实验数据见表1。随后将锆钛铝钒合金铸锭放入马弗炉中并加热至950℃，保温30min，随后将合金锭在20s内转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在950℃下保温5min，随后在20s内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％以上；在最后一道次变形后，将合金板材放置于空气中冷却至室温。实施例2切取锻造态的20zr(ti-20zr-6al-4v)63.9g及sps(等离子放电烧结)得到纯的ti3alc2相0.33g，捣碎，分别将其放在无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净后，用吹风机吹干，置于非自耗真空电弧熔炼炉中反复熔炼8遍，真空度为2.0×10-2pa，熔炼电流保持在300a，样品熔炼时间为2min，每次熔炼完成之后，等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次的熔炼。得到成分均匀的合金铸锭。在线切割机上在铸锭上切取高度为10mm直径为5mm的压缩棒，并利用砂纸将表面除去氧化皮，在instron5982力学性能测试机上测试其压缩力学性能，具体实验数据见表1。随后将锆钛铝钒合金铸锭放入马弗炉中并加热至950℃，保温30min，随后将合金锭在20s内转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在950℃下保温5min，随后在20s内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％以上；在最后一道次变形后，将合金板材放置于空气中冷却至室温。实施例3切取锻造态的20zr(ti-20zr-6al-4v)63.2g，sps(等离子放电烧结)得到纯的ti3alc2相0.64g，捣碎，分别将其放在无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净后，用吹风机吹干，置于非自耗真空电弧熔炼炉中反复熔炼8遍，真空度为2.0×10-2pa，熔炼电流保持在300a，样品熔炼时间为2min，每次熔炼完成之后，等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次的熔炼。得到成分均匀的合金铸锭。在线切割机上在铸锭上切取高度为10mm直径为5mm的压缩棒，并利用砂纸将表面除去氧化皮，在instron5982力学性能测试机上测试其压缩力学性能，具体实验数据见表1。随后将锆钛铝钒合金铸锭放入马弗炉中并加热至950℃，保温30min，随后将合金锭在20s内转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在950℃下保温5min，随后在20s内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％以上；在最后一道次变形后，将合金板材放置于空气中冷却至室温。实施例4切取锻造态的20zr(ti-20zr-6al-4v)63.4g，sps(等离子放电烧结)得到纯的ti3alc2相1.29g，捣碎，分别将其放在无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净后，用吹风机吹干，置于非自耗真空电弧熔炼炉中反复熔炼8遍，真空度为2.0×10-2pa，熔炼电流保持在300a，样品熔炼时间为2min，每次熔炼完成之后，等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次的熔炼。得到成分均匀的合金铸锭。在线切割机上在铸锭上切取高度为10mm直径为5mm的压缩棒，并利用砂纸将表面除去氧化皮，在instron5982力学性能测试机上测试其压缩力学性能，具体实验数据见表1。随后将锆钛铝钒合金铸锭放入马弗炉中并加热至950℃，保温30min，随后将合金锭在20s内转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在950℃下保温5min，随后在20s内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％以上；在最后一道次变形后，将合金板材放置于空气中冷却至室温。实施例5切取锻造态的30zr(ti-30zr-6al-4v)63.4g，sps(等离子放电烧结)得到纯的ti3alc2相1.29g，捣碎，分别将其放在无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净后，用吹风机吹干，置于非自耗真空电弧熔炼炉中反复熔炼8遍，真空度为2.0×10-2pa，熔炼电流保持在300a，样品熔炼时间为2min，每次熔炼完成之后，等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次的熔炼。得到成分均匀的合金铸锭。随后将锆钛铝钒合金铸锭放入马弗炉中并加热至950℃，保温30min，随后将合金锭在20s内转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在950℃下保温5min，随后在20s内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％以上；在最后一道次变形后，将合金板材放置于空气中冷却至室温。实施例6切取锻造态的40zr(ti-40zr-6al-4v)63.4g，sps(等离子放电烧结)得到纯的ti3alc2相1.29g，捣碎，分别将其放在无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净后，用吹风机吹干，置于非自耗真空电弧熔炼炉中反复熔炼8遍，真空度为2.0×10-2pa，熔炼电流保持在300a，样品熔炼时间为2min，每次熔炼完成之后，等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次的熔炼。得到成分均匀的合金铸锭。随后将锆钛铝钒合金铸锭放入马弗炉中并加热至950℃，保温30min，随后将合金锭在20s内转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在950℃下保温5min，随后在20s内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％以上；在最后一道次变形后，将合金板材放置于空气中冷却至室温。实施例7切取锻造态的51zr(ti-51zr-6al-4v)63.4g，sps(等离子放电烧结)得到纯的ti3alc2相1.29g，捣碎，分别将其放在无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净后，用吹风机吹干，置于非自耗真空电弧熔炼炉中反复熔炼8遍，真空度为2.0×10-2pa，熔炼电流保持在300a，样品熔炼时间为2min，每次熔炼完成之后，等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次的熔炼。得到成分均匀的合金铸锭。随后将锆钛铝钒合金铸锭放入马弗炉中并加热至950℃，保温30min，随后将合金锭在20s内转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在950℃下保温5min，随后在20s内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％以上；在最后一道次变形后，将合金板材放置于空气中冷却至室温。产品性能检测：用线切割在铸锭上切取的薄片，将薄片表面由粗到细打磨，置于无水乙醇中用超声波清洗30min，用吹风机低温吹干。将处理完的试样做dsc热物性分析，得到合金的相变起始温度和终止温度。(1)热轧态拉伸由于铸锭尺寸小，无法切取拉伸试样，故对其进行热轧制，获得平板状合金试样，在轧制前，用游标卡尺测量其初始厚度，根据变形量70％，计算出轧制最终厚度，并将两者的差值除以每次下压量，热轧制机每次下压1.62mm，得到热轧制的次数，在第一次之后，每次调节下压量以达到热轧制要求，将铸态的合金放入马弗炉中并将马弗炉加热至950℃，保温30min，随后将合金锭快速转移至两辊平面轧机上进行多道次轧制变形；第一次轧制完成后在上述温度保温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％以上；在最后一道次变形后，将合金板材放置于空气中冷却至室温。轧制温度控制在近α/α+β区进行，轧制温度根据dsc曲线确定，将轧制后的合金用线切割机切成标准的拉伸试样，本发明合金轧制室温拉伸力学性能为：σb≥1204mpa，σ0.2≥1075mpa，部分δ≥7.39％。室温单轴拉伸试验在instron5982力学性能测试系统上进行，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长度变化。(2)铸态压缩：将铸态合金用线切割机切取高径比约为2:1的压缩圆柱。并用砂纸磨去其底面与侧面的氧化层，室温压缩试验在instron5982力学性能测试系统上进行，压缩速度为0.1800mm/min，并用引伸计全程跟踪测量试样在压缩过程中的长度变化。发现添加了max相(ti3alc2)后，合金组织发生了变化，除了基体原来的组织，还能观察到max相(ti3alc2)条状析出，与少量ti3alc2高温分解的tic。并且细化了基体的组织，达到了强化锆钛基合金力学性能的效果。一般如果采用直接添加碳，在熔炼中原位生成反应中很难得到ti3alc2，较易得到ti2alc/ti3alc。故本发明直接添加max相(ti3alc2)，能有效的解决max相(ti3alc2)不易生成的难题。而且在非自耗真空熔炼炉，通过8遍熔炼，能使成分均匀化。表1本发明合金力学性能随max相(ti3alc2)增加测试结果编号合金状态抗压强度(mpa)压缩率(％)硬度实例1铸态1647.08.7391.39实例2铸态1727.010.9388.06实例3铸态1682.09.0384.21实例4铸态1848.07.1451.33由表1可以看出当max相(ti3alc2)添加2％时，即实例4，其抗压强度和硬度有明显增加。当前第1页12