一种高动态性能近α型钛合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钛合金领域，涉及一种高动态性能近α型钛合金，本发明还涉及上述 高动态性能近α型钛合金的制备方法。
【背景技术】
[0002] WSTi6211F钛合金名义成分为Ti-6Al-2Zr-lM〇-lV-0. 15Fe，是一种高动态性能的 近α型钛合金，属于高铝当量的近α型钛合金。WSTi6211F合金具有中等的室温强度和高 温强度，良好的热稳定性和焊接性能，较高的比强度、抗蠕变性和耐腐蚀性。与国内外广泛 使用的TC4(Ti-6Al-4V)合金相比，当工作温度超过400°C时，WSTi6211F合金的强度优势更 明显，高出lOOMPa，是重要的航空、航天、兵器用材料。
[0003] 动态性能一般是指材料在高应变率下表现出的应力应变的关系，是穿甲型战斗 部壳体的主要表征性能，具有短历时、高强度与高应变率（1〇2~IO4S 4的特点，与静态 (10 5~10 1S1)既有区别，又有联系。动态性能的一般衡量指标包括平均流变应力、最大塑 性应变和冲击吸收能。而传统TC4(Ti-6Al-4V)钛合金壳体的动态性能低，且不稳定，严重 影响材料的使用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种高动态性能近α型钛合金，解决了传统钛合金动态性 能低、不稳定的问题。
[0005] 本发明的另一目的是提供上述高动态性能近α型钛合金的制备方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种高动态性能近α型钛合金，按照质量百分比 由以下元素组成：Al :5· 0%~6. 8%，Zr :1· 5%~2. 4%，Mo :1· 0%~L 9%，V :1· 5%~ 2. 5%，Fe :0. 05%~0. 30%，0 :0. 05%~0. 14%，余量为Ti，以上组分质量百分比之和为 100%〇
[0007] 本发明所采用的另一技术方案是，一种高动态性能近α型钛合金的制备方法，具 体按以下步骤实施：
[0008] 步骤1，制备电极块：
[0009] 采用AlMo、A1V、TiFe中间合金与海绵钛和1102粉末进行单块电极混料，并压制 成电极块；AlMo、AlV、TiFe中间合金与海绵钛和TiO2粉末混合后，各元素的质量百分比为： Al :5· 0%~6. 8%，Zr :1· 5%~2· 4%，Mo :1· 0%~I. 9%，V :1· 5%~2. 5%，Fe :0· 05%~ 0. 30%，0 :0. 05%~0. 14%，余量为Ti，以上组分质量百分比之和为100% ;
[0010] 步骤2,制备电极：
[0011]用夹具夹紧步骤1制得的电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将电极块焊接成 圆柱形的电极；
[0012] 步骤3,真空熔炼：
[0013] 将步骤2制备得到的电极，在真空自耗电弧炉中进行3次真空熔炼，得到 WSTi6211F钛合金铸锭；
[0014] 步骤4,开坯锻造：
[0015] 对WSTi62IlF钛合金铸锭在其相变点以上进行高温开坯锻造；
[0016] 步骤5，中间火次锻造：
[0017] 对经步骤4锻造后的WSTi6211F钛合金锻坯在相变点以下进行中间火次锻造；
[0018] 步骤6,拔长、摔圆：
[0019] 对经步骤5锻造后的WSTi6211F钛合金锻坯在相变点以下进行拔长与摔圆，即得 到高动态性能近α型钛合金。
[0020] 本发明的特点还在于，
[0021] 步骤1中海绵钛的颗粒度为0· 83~12. 7mm。
[0022] 步骤3中三次真空熔炼的参数，具体为：
[0023] 一次熔炼：坩埚规格Φ440~Φ 560mm，熔前真空度彡2. OPa，预真空度彡3. OPa， 漏气率彡1.0 Pa/min，熔炼电压28~45V，熔炼电流12~30kA，稳弧电流直流6. 0~18. 0A， 冷却时间彡4h ;
[0024] 二次熔炼：坩埚规格Φ 520~Φ640mm，熔前真空度彡2. OPa，预真空度彡2. OPa， 漏气率彡1.0 Pa/min，熔炼电压30~40V，熔炼电流22~32kA，稳弧电流交流8. 0~20. 0A， 冷却时间彡5h ;
[0025] 三次熔炼：坩埚规格Φ 560~Φ 720mm，熔前真空度彡2. OPa，预真空度彡1.0 Pa， 漏气率彡1.0 Pa/min，熔炼电压30~40V，熔炼电流23~35kA，稳弧电流交流12. 0~ 22. 0A，冷却时间彡6h。
[0026] 步骤4中相变点以上进行高温开坯锻造，具体为：在80~200°C加热，保温2~3 小时后出炉锻造，进行2~3火次镦粗、拔长，每一火次变形量为45 %~70%，然后对锻坯 进行冷却，冷却方式为空冷或水冷，水冷时间Ih以上。
[0027] 步骤5中相变点以下进行中间火次锻造，具体为：在20~80°C加热，保温2~3小 时，随后进行3~4火次镦粗、拔长，每火次变形量为45 %~70 %，然后对锻坯进行冷却，冷 却方式为空冷或水冷，水冷时间Ih以上。
[0028] 步骤6中相变点以下进行拔长与摔圆，具体为：在40~80°C加热，保温2~3小 时，随后进行2~4火次拔长，每火次变形量为45 %~70%，然后进行冷却，冷却方式采用 空冷；在40~80°C加热保温，进行锻坯摔圆，摔圆时应保证有10%以上的变形量，摔圆后采 用空冷或水冷。
[0029] 本发明的有益效果是，本发明采用纯净化和高均匀化熔炼方法细化了大型铸锭的 铸态组织并提高了铸锭成分的微观均匀性，同时通过控制Al和0元素的含量，既保证了 WSTi6211F钛合金具有足够的强度，又大幅度提高了 WSTi6211F钛合金的塑性和韧性，再结 合高温均匀化处理和循环锻造工艺，达到了提高钛合金动态性能的目的。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明实施例1制备得到的WSTi6211F铸锭各个部位取样测试的主元素分 布及含量图；
[0031] 图2是本发明实施例2制备得到的WSTi6211F铸锭各个部位取样测试的主元素分 布及含量图；
[0032] 图3是本发明实施例3制备得到的WSTi6211F铸锭各个部位取样测试的主元素分 布及含量图；
[0033] 图4是本发明制备得到的WSTi6211F与TC4(Ti-6Al-4V)合金动态应力应变对比 曲线图；
[0034] 图5是本发明制备得到的WSTi6211F与TC4(Ti-6Al-4V)合金断口宏观、微观形貌 和高倍组织图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0036] 本发明提供了一种高动态性能近α型钛合金，按照质量百分比由以下元素组成： Al :5· 0%~6. 8%，Zr :1· 5%~2· 4%，Μο :1· 0%~I. 9%，V :1· 5%~2. 5%，Fe :0· 05%~ 0. 30%，0 :0. 05%~0. 14%，余量为Ti，以上组分质量百分比之和为100%。
[0037] 本发明还提供了上述高动态性能近α型钛合金的制备方法，具体按以下步骤实 施：
[0038] 步骤1，制备电极块：
[0039] 采用AlMo、AlV、TiFe中间合金与颗粒度为0. 83~12. 7mm的海绵钛和TiO2粉末进 行单块电极混料，并用大型液压机压制成电极块，压制压力为20~35MPa，压制时间3~10 秒；五种原材料按照名义成分比率配料并混合均匀，即各元素质量百分比为：Al :5. 0%~ 6. 8%，Zr :1· 5%~2. 4%，Mo :1· 0%~L 9%，V :1· 5%~2. 5%，Fe :0· 05%~0· 30%，0 : 0. 05%~0. 14%，余量为Ti，以上组分质量百分比之和为100%。
[0040] 步骤2,制备电极：
[0041] 用夹具夹紧步骤1制得的电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将电极块焊接成 一个圆柱形的电极。
[0042] 焊点要求为银灰色或淡黄色，防止焊点氧化和高密度夹杂等冶金缺陷；电极块尺 寸由模具确定，电极块数量根据坩埚长度而定。
[0043] 步骤3,将步骤2制备得到的电极，在真空自耗电弧炉中进行三次真空熔炼，得到 WSTi6211F钛合金铸锭：
[0044] 一次熔炼：坩埚规格Φ440~Φ 560mm，熔前真空度彡2. OPa，预真空度彡3. OPa， 漏气率彡1.0 Pa/min，熔炼电压28~45V，熔炼电流12~30kA，稳弧电流直流6. 0~18. 0A， 冷却时间彡4h ;
[0045] 二次熔炼：坩埚规格Φ 520~Φ640mm，熔前真空度彡2. OPa，预真空度彡2. OPa， 漏气率彡1.0 Pa/min，熔炼电压30~40V，熔炼电流22~32kA，稳弧电流交流8. 0~20. 0A， 冷却时间彡5h ;
[0046] 三次熔炼：坩埚规格Φ 560~Φ 720mm，熔前真空度彡2. OPa，预真空度彡1.0 Pa， 漏气率彡1.0 Pa/min，熔炼电压30~40V，熔炼电流23~35kA，稳弧电流交流12. 0~ 22. 0A，冷却时间彡6h。
[0047] 步骤4,采用大吨位快锻机对WSTi6211F钛合金铸锭进行高温开坯锻造（镦粗、拔 长交替进行）：
[0048] 在相变点以上80~200°C加热保温（保温时间根据坯料尺寸设定）后出炉锻造， 进行2~3火次镦粗、拔长，每一火次变形量为45 %~70 %，充分破碎铸锭心部的粗大的铸 态组织。冷却方式根据锻后锻坯的表面状况选择空冷或水冷，水冷时间Ih以上。
[0049] 步骤5,