一种含锆TB6钛合金及其制备方法与流程

本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种含锆tb6钛合金及其制备方法。

背景技术

钛合金tb6属于近β型的钛合金，因为其又高的比强度，极好的断裂韧性，好的蠕变和优良的抗腐蚀性能，被广泛应用到航空航天、生物医学等领域，但tb6合金经过低温时效后极易析出脆性ω相，恶化合金塑性，因此，在实际工作中应极力避免。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有较好塑性的含锆tb6钛合金及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种含锆tb6钛合金，按质量百分数计，包括以下组分：

优选的，按质量百分数计，所述含锆tb6钛合金包括以下组分：

本发明还提供了上述技术方案所述含锆tb6钛合金的制备方法，包括以下步骤：

按照所述含锆tb6钛合金的成分配比将合金原料进行熔炼，得到合金铸锭；

将所述合金铸锭进行热轧，得到含锆tb6钛合金。

优选的，所述熔炼的温度为2400～2600℃，熔炼的时间为12～24分钟。

优选的，所述熔炼在惰性气氛保护下进行，所述惰性气氛的压力为0.04～0.08mpa。

优选的，所述热轧为4～6道次轧制，热轧的总变形量为60％～70％。

优选的，每道次轧制的温度独立地为790～850℃，每道次轧制的时间独立地为3～7min。

本发明提供了一种含锆tb6钛合金，按质量百分数计，包括以下组分：ti34％～76％，zr10％～50％，v9.0％～11％，fe1.6％～2.2％，al2.6％～3.4％。在本发明中，所述zr元素的添加能够有效抑制绝热和回火ω相的产生，zr与ti同属第ⅳb族，且具有相同的最外层电子排布方式和相似的力学及物化性能，本发明所涉及的近β相含锆钛合金具有更高的强度和较好的塑性。根据实施例的记载，本发明所述的含锆tb6钛合金与实测的ti-10v-2fe-3al钛合金相比，抗拉强度最大可提高47.56％。

附图说明

图1为本发明的拉伸试样尺寸图；

图2为实施例1制备得到的含锆tb6钛合金的金相光学显微图；

图3为实施例2制备得到的含锆tb6钛合金的金相光学显微图；

图4为实施例3制备得到的含锆tb6钛合金的金相光学显微图；

图5为实施例4制备得到的含锆tb6钛合金的金相光学显微图；

图6为实施例5制备得到的含锆tb6钛合金的金相光学显微图。

具体实施方式

本发明提供了一种含锆tb6钛合金，按质量百分数计，包括以下组分：

在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。

按质量百分含量计，本发明所述的含锆tb6钛合金含有34％～76％的ti，优选为45％～65％，更优选为50％～60％。

按质量百分含量计，本发明所述的含锆tb6钛合金含有10％～50％的zr，优选为20％～40％，更优选为25％～35％。

在本发明中，所述zr可以与ti形成无限固溶体，提高合金的强度和塑性。锆元素的致钝电位较ti更负，即使在弱氧化环境下依然可以发生钝化，提高表面生成致密氧化膜的能力，提高合金的耐腐蚀性能。在本发明中，所述zr含量在上述范围内可实现zr与ti两种元素在力学性能和耐腐蚀性能上的互补，可以通过固溶强化效果提升合金的力学性能和耐腐蚀性能。

按质量百分含量计，本发明所述的含锆tb6钛合金含有9.0％～11％的v，优选为9.5％～10.5％，更优选为9.8％～10.2％。

在本发明中，所述钒降低了合金的相转变温度，使合金形成β相的能力增强，增强了钛合金的淬透性和热加工强化效果。

按质量百分含量计，本发明所述的含锆tb6钛合金含有1.6％～2.2％的fe，优选为1.7％～2.1％，更优选为1.9％～2.0％。

在本发明中，所述铁的添加可以降低合金的弹性模量，提升合金的力学性能，并显著改善合金的耐磨性能。

按质量百分含量计，本发明所述的含锆tb6钛合金含有2.6％～3.4％的al，优选为2.8％～3.2％，更优选为2.9％～3.1％。

在本发明中，所述铝可以大幅提高钛合金的比强度。在本发明中，大量添加zr元素可以提高合金的耐热性能，以补足v元素添加后耐热性能下降的缺点。mo的添加可以补足大量zr添加后的点蚀危害影响。al和zr的添加均可有效抑制ω相的产生。本发明还提供了上述技术方案所述含锆tb6钛合金的制备方法，包括以下步骤：

按照所述含锆tb6钛合金的成分配比将合金原料进行熔炼，得到合金铸锭；

将所述合金铸锭进行热轧，得到含锆tb6钛合金。

本发明按照所述含锆tb6钛合金的成分配比将合金原料进行熔炼，得到合金铸锭。本发明对所述合金原料的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的用于熔炼合金的合金原料即可。在本发明中，所述合金原料优选包括钛、锆、钒、铁和铝。本发明对所述合金原料的形态与纯度没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述钛可以具体选择为工业级海绵钛；所述锆可以具体选择海绵锆；所述钒可以具体选择为纯钒；所述铁可以具体选择为纯铁；所述铝可以具体选择为纯铝。

在本发明中，在进行所述熔炼之前优选对所述合金原料进行预处理，所述预处理优选为将所述合金原料在有机溶剂中进行超声处理。在本发明中，所述有机溶剂优选为无水乙醇。本发明对所述超声的操作没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的超声过程超声并达到清洗合金原料的目的即可。超声完成后，本发明优选对所述超声后的合金原料进行风干。本发明对所述风干没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的风干条件即可。

在本发明中，所述熔炼的温度优选为2400～2600℃，更优选为2450～2550℃，最优选为2480～2520℃；所述熔炼的时间优选为12～24分钟，更优选为15～20分钟，最优选为16～18分钟。

在本发明中，所述熔炼优选在惰性气氛保护下进行；本发明对所述惰性气氛没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的惰性气氛即可；所述惰性气氛的压力优选为0.04～0.08mpa，更优选为0.05～0.07mpa；在本发明中，在充入惰性气体前优选先对熔炼环境抽真空，所述真空的真空度优选为3×10^-3pa～7×10^-3pa，更优选为4×10^-3pa～6×10^-3pa。

本发明优选在每次熔炼次后将铸锭翻转，然后进行下一次熔炼，在本发明中，所述熔炼的次数优选为4～8次，更优选为5～6次；所述每次熔炼的时间优选为2～4分钟，更优选为2.5～3.5分钟，最优选为2.8～3.2分钟。在本发明中，所述翻转可以保证合金铸锭的成分更均匀。

本发明对所述熔炼的具体方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的熔炼钛合金的方法进行熔炼即可。在本发明中可以具体的选择为非自耗真空弧熔炼，所述非自耗真空弧熔炼的工作电流可以具体选择为500a。

得到合金铸锭后，本发明将所述合金铸锭进行热轧，得到含锆tb6钛合金。在本发明中，所述热轧优选为4～6道次轧制，更优选为5道次；在本发明中，所述每道次轧制的温度独立地优选为790～850℃，更优选为800～840℃，最优选为810～830℃；所述每道次轧制的时间独立地优选为3～7min，更优选为4～6min，最优选为4.5～5.5min。在本发明中，所述热轧的总变形量优选为60％～70％，更优选为62％～68％，最优选为64％～66％。

在进行热轧前，本发明优选将所述合金铸锭进行热处理，所述热处理优选为将所述合金铸锭加热至所述热轧的温度，并保温0.2～1小时，优选为0.4～0.8小时，更优选为0.5～0.6小时。在本发明中，所述加热的升温速率优选为8～12℃/min，更优选为9～11℃/min。

在本发明中，所述多道次轧制可以提高合金的机械加工性能。

热轧完成后，本发明优选将所述热轧的产物依次进行冷却，打磨，得到含锆tb6钛合金。本发明对所述冷却没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷却过程将合金冷却至室温即可；本发明对所述打磨没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的打磨过程对合金进行打磨并达到去除合金锭表面的氧化层的目的即可。

下面结合实施例对本发明提供的含锆tb6钛合金及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将76g工业级海绵钛、10g海绵锆、9.4g纯钒、2.0g纯铁、2.6g纯铝浸于无水乙醇中，超声清洗后风干；

将预处理后的上述原料放入非自耗真空弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，在真空度为5×10^-3pa，压力为0.06mpa的氮气气氛下进行非自耗真空熔炼，熔炼温度为2500℃，熔炼过程中的工作电流为500a，翻转铸锭六次，每翻转一次，熔炼3分钟，得到合金铸锭。

将合金铸锭放入马弗炉中以10℃/min的加热速率升温至850℃，并保温0.5小时后迅速取出在双辊轧机上进行轧制变形，轧制温度为850℃，采用多道次变形，每次压下量为2mm，合金的最终变形量达到65％，铸锭每道次变形之间在850℃下保温5分钟，最终厚度为5mm，最后一次变形后，冷却，对合金板的表层氧化层打磨干净，制得含锆tb6钛合金。

图2为本实施例制备得到的高强度钛合金的金相显微组织图，由图2可知，所述含锆tb6钛合金主要由粗大的β晶粒组成，在经热轧处理后，原始β晶粒发生破碎，实现了细化晶粒的目的，使力学性能得到提升。

实施例2

将66.6g工业级海绵钛、20g海绵锆、9.0g纯钒、1.6g纯铁、2.8g纯铝浸于无水乙醇中，超声清洗后风干；

将预处理后的上述原料放入非自耗真空弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，在真空度为5×10^-3pa，压力为0.06mpa的氮气气氛下进行非自耗真空熔炼，熔炼温度为2500℃，熔炼过程中的工作电流为500a，翻转铸锭六次，每翻转一次，熔炼3分钟，得到合金铸锭。

将合金铸锭放入马弗炉中以10℃/min的加热速率升温至830℃，并保温0.5小时后迅速取出在双辊轧机上进行轧制变形，轧制温度为830℃，采用多道次变形，每次压下量为2mm，合金的最终变形量达到65％，铸锭每道次变形之间在830℃下保温5分钟，最终厚度为5mm，最后一次变形后，冷却，对合金板的表层氧化层打磨干净，制得含锆tb6钛合金。

图3为本实施例制备得到的高强度钛合金的金相显微组织图，由图3可知，所述含锆tb6钛合金主要由较为粗大的β晶粒组成，在zr添加后原始β晶粒得到细化，显微组织得到改善，原始在经热轧处理后，原始β晶粒发生破碎，实现了细化晶粒的目的，使力学性能得到提升。

实施例3

将54.8g工业级海绵钛、30g海绵锆、10.0g纯钒、2.2g纯铁、3.0g纯铝浸于无水乙醇中，超声清洗后风干；

将预处理后的上述原料放入非自耗真空弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，在真空度为5×10^-3pa，压力为0.06mpa的氮气气氛下进行非自耗真空熔炼，熔炼温度为2500℃，熔炼过程中的工作电流为500a，翻转铸锭六次，每翻转一次，熔炼3分钟，得到合金铸锭。

将合金铸锭放入马弗炉中以10℃/min的加热速率升温至810℃，并保温0.5小时后迅速取出在双辊轧机上进行轧制变形，轧制温度为810℃，采用多道次变形，每次压下量为2mm，合金的最终变形量达到65％，铸锭每道次变形之间在810℃下保温5分钟，最终厚度为5mm，最后一次变形后，冷却，对合金板的表层氧化层打磨干净，制得含锆tb6钛合金。

图4为本实施例制备得到的高强度钛合金的金相显微组织图，由图4可知，所述含锆tb6钛合金主要由β晶粒组成，在zr添加后，原始β晶粒得到进一步细化，显微组织得到进一步改善，原始在经热轧处理后，原始β晶粒发生破碎，连同zr元素的添加实现了细化晶粒的目的，使力学性能得到提升。

实施例4

将45g工业级海绵钛、40g海绵锆、10.5g纯钒、1.8g纯铁、2.7g纯铝浸于无水乙醇中，超声清洗后风干；

将预处理后的上述原料放入非自耗真空弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，在真空度为5×10^-3pa，压力为0.06mpa的氮气气氛下进行非自耗真空熔炼，熔炼温度为2500℃，熔炼过程中的工作电流为500a，翻转铸锭六次，每翻转一次，熔炼3分钟，得到合金铸锭。

将合金铸锭放入马弗炉中以10℃/min的加热速率升温至800℃，并保温0.5小时后迅速取出在双辊轧机上进行轧制变形，轧制温度为800℃，采用多道次变形，每次压下量为2mm，合金的最终变形量达到65％，铸锭每道次变形之间在800℃下保温5分钟，最终厚度为5mm，最后一次变形后，冷却，对合金板的表层氧化层打磨干净，制得含锆tb6钛合金。

图5为本实施例制备得到的高强度钛合金的金相显微组织图，由图5可知，所述含锆tb6钛合金主要由β晶粒组成，在zr添加后，原始β晶粒得到进一步细化，显微组织得到进一步改善，原始在经热轧处理后，原始β晶粒发生破碎，连同zr元素的添加实现了细化晶粒的目的，使力学性能得到提升。

实施例5

将34g工业级海绵钛、50g海绵锆、11g纯钒、1.6g纯铁、3.4g纯铝浸于无水乙醇中，超声清洗后风干；

将预处理后的上述原料放入非自耗真空弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，在真空度为5×10^-3pa，压力为0.06mpa的氮气气氛下进行非自耗真空熔炼，熔炼温度为2500℃，熔炼过程中的工作电流为500a，翻转铸锭六次，每翻转一次，熔炼3分钟，得到合金铸锭。

将合金铸锭放入马弗炉中以10℃/min的加热速率升温至790℃，并保温0.5小时后迅速取出在双辊轧机上进行轧制变形，轧制温度为790℃，采用多道次变形，每次压下量为2mm，合金的最终变形量达到65％，铸锭每道次变形之间在790℃下保温5分钟，最终厚度为5mm，最后一次变形后，冷却，对合金板的表层氧化层打磨干净，制得含锆tb6钛合金。

图6为本实施例制备得到的高强度钛合金的金相显微组织图，由图6可知，所述含锆tb6钛合金主要由较为细小的β晶粒组成，在zr添加后，原始β晶粒细化显著，显微组织得到大幅改善，原始在经热轧处理后，原始β晶粒发生破碎，连同zr元素的添加实现了细化晶粒的目的，使力学性能得到提升。

实施例6

将实施例1～5制备得到的含锆tb6钛合金利用线切割切出厚度为2mm的拉伸样(gbt228-2002),每个样品至少切出3个如图1所示的拉伸试样，确保数据的可重复性，进行拉伸试验，并获得其力学性能相关数据，采用室温单轴拉伸试验进行测量，测量仪器型号为instron5982的万能材料试验机，全程用引伸计检测试样的拉伸位移，拉伸速率设定为5×10^-3s^-1。其力学性能测试结果如表1所示：

表1：实施例1～5制备得到的含锆tb6钛合金的力学性能测试

由表1可知，本发明所述的高强度钛合金与实测的ti-10v-2fe-3al钛合金相比，抗拉强度最大提高47.56％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。