本发明涉及一种钛合金及其型材制备方法，特别是涉及一种低钒低钼、超低钒超低钼或无钒无钼的单相态钛合金及其型材制备方法，应用于低成本钛合金材料制备技术领域。
背景技术：
40%以上。因此，使用廉价的Fe、Mn等合金元素代替较为昂贵的V、Nb、Mo等合金元素，强化钛合金的性能具有重要的发展前景。例如美国Timet公司为取代高价的Ti-6Al-4V合金，以Fe 作为合金元素开发了低成本高强汽车用钛合金Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si(Timetal 62S)，用Fe完全取代了V，性能却优于Ti-6Al-4V合金，退火状态下的屈服强度可达896-965Mpa。但该材料冷加工变形率差，不适合冷加工成型。
技术实现要素：
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金及其板材和棒材的制备方法，使用了廉价的合金元素Fe、Cr、Zr作为钛合金的强化元素，本发明 β 钛合金的室温强度不低于1000Mpa，利用本发明可以进一步扩大 β 钛合金的使用范围。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金，其组分的质量百分数为：3.0-5.0wt%的铝、1.5-2.5wt%的铁、7.0-10.0wt%的铬、1.5-2.5wt%的锆，余量为钛和不可避免的杂质。
作为本发明优选的技术方案，其组分的质量百分数为：3.99-4.11wt%的铝、2.00-2.11wt%的铁、7.89-9.00wt%的铬、1.98-2.10wt%的锆、0-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氢，余量为钛。
作为本发明进一步优选的技术方案，其组分的质量百分数为：4.0wt%的铝、2.0wt%的铁、9.0wt%的铬、2.0wt%的锆、0.04-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氢，余量为钛。
一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金的板材制备方法，将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：3.0-5.0wt%的铝、1.5-2.5wt%的铁、7.0-10.0wt%的铬、1.5-2.5wt%的锆，其它原料主要为钛，将完成配料后的各原料组分材料置入箱式电阻炉中，在箱式电阻炉中，对各原料组分材料进行预处理，在120-150℃的预处理温度下保温10-12 h，然后再将各原料组分材料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼3-5次制成铸锭，再将所得铸锭加热到800-840℃，在横列式轧机上将铸锭轧制成厚度为6-8mm的 β 钛合金板材。优选采用真空退火的热处理方式对所制备的 β 钛合金板材进行轧制后热处理，控制退火温度为620-640℃，保温时间为1.5-2.5h，冷却方式为空冷。
一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金的棒材制备方法，将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：3.0-5.0wt%的铝、1.5-2.5wt%的铁、7.0-10.0wt%的铬、1.5-2.5wt%的锆，其它原料主要为钛，将完成配料后的各原料组分材料混合后采用挤压法制成电极块，然后在真空等离子箱内焊接成真空电极，然后通过3-5次真空自耗电极电弧熔炼制成铸锭，铸锭在1050-1150℃温度下经过开坯锻造成直径Φ40-50 mm的轧制棒坯，然后棒坯加热到800-840℃，在横列式轧机上轧制成直径Φ18-20 mm的 β 钛合金棒材。优选采用真空退火的热处理方式对所制备的 β 钛合金棒材进行轧制后热处理，控制退火温度为620-640℃，保温时间为1.5-2.5 h，冷却方式为空冷。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明制备的 β 钛合金含有Fe、Cr、Zr合金元素，代替传统含钼和钒的钛合金，成本显著降低，适用于更多对材料成本敏感的应用领域，本发明 β 钛合金的室温强度不低于1000Mpa，力学性能与传统钛合金Ti-6Al-4V相当，但成本相比Ti-6Al-4V显著降低，提高了性价比，利用本发明 β 钛合金能进一步扩大 β 钛合金的使用范围，对钛合金市场的拓展具有重要意义。
2. 本发明制备的 β 钛合金的退火后的合金组织为纯 β 相，且其屈服强度比Ti-6Al- 1.7Fe-0.1Si(Timetal 62S)更高，本发明制备的 β 钛合金克服了Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si(Timetal 62S) 材料冷加工变形率差的缺陷，适合冷加工成型。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种含Fe、Cr、Zr合金元素的β钛合金，其合金组分的质量百分数为：3.99wt%的铝、2.03wt%的铁、8.02wt%的铬、1.98wt%的锆、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氢，余量为钛。
本实施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金的板材制备方法，首先将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：3.99wt%的铝、2.03wt%的铁、8.02wt%的铬、1.98wt%的锆，其它原料为钛，将完成配料后的各原料组分材料置入箱式电阻炉中，在箱式电阻炉中，对各原料组分材料进行预处理，在150℃的预处理温度下保温12 h，然后再将各原料组分材料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼4次制成铸锭，再将所得铸锭加热到820℃，在横列式轧机上将铸锭轧制成厚度为6-8mm的 β 钛合金板材；然后采用真空退火的热处理方式对所制备的 β 钛合金板材按表2的热处理制度进行轧制后热处理，控制退火温度为640℃，保温时间为2 h，冷却方式为空冷，最终制成β钛合金板材的标准样品，其合金组分含量见表1。然后参照GB/T228.1-2010，对β钛合金板材的标准样品进行室温力学性能实验测试，其力学性能测量结果见表2。
本实施例制备的 β 钛合金板材的室温抗拉强度大于1000Mpa，力学性能与传统钛合金Ti-6Al-4V相当，冷加工变形率优于Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si(Timetal 62S)，适合冷加工成型，利用本实施例制备的β钛合金能进一步扩大 β 钛合金的使用范围。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种含Fe、Cr、Zr合金元素的β钛合金，其合金组分的质量百分数为：4.0wt%的铝、2.0wt%的铁、9.0wt%的铬、2.0wt%的锆、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氢，余量为钛。
本实施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金的板材制备方法，首先将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：4.0wt%的铝、2.0wt%的铁、9.0wt%的铬、2.0wt%的锆，其它原料为钛，将完成配料后的各原料组分材料置入箱式电阻炉中，在箱式电阻炉中，对各原料组分材料进行预处理，在150℃的预处理温度下保温12 h，然后再将各原料组分材料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼4次制成铸锭，再将所得铸锭加热到820℃，在横列式轧机上将铸锭轧制成厚度为6-8mm的 β 钛合金板材；然后采用真空退火的热处理方式对所制备的 β 钛合金板材按表4的热处理制度进行轧制后热处理，控制退火温度为640℃，保温时间为2 h，冷却方式为空冷，最终制成 β 钛合金板材的标准样品，其合金组分含量见表3。然后参照GB/T228.1-2010，对 β 钛合金板材的标准样品进行室温力学性能实验测试，其力学性能测量结果见表4。
本实施例制备的 β 钛合金板材的室温抗拉强度大于1000Mpa，力学性能与传统钛合金Ti-6Al-4V相当，冷加工变形率优于Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si(Timetal 62S)，适合冷加工成型，利用本实施例制备的β钛合金能进一步扩大 β 钛合金的使用范围。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金，其合金组分的质量百分数为：4.11wt%的铝、2.11wt%的铁、7.89wt%的铬、2.10wt%的锆、0.04wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氢，余量为钛。
实施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金的棒材制备方法，其特征在于，将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：4.11wt%的铝、2.11wt%的铁、7.89wt%的铬、2.10wt%的锆，其它原料为钛，将完成配料后的各原料组分材料混合后采用挤压法制成电极块，然后在真空等离子箱内焊接成真空电极，然后通过4次真空自耗电极电弧熔炼制成铸锭，铸锭在1100℃温度下经过开坯锻造成直径为Φ45mm的轧制棒坯，然后棒坯加热到820℃，在横列式轧机上轧制成直径为Φ20mm的 β钛合金棒材；然后采用真空退火的热处理方式对所制备的 β 钛合金棒材按表6的热处理制度进行轧制后热处理，控制退火温度为640℃，保温时间为2 h，冷却方式为空冷，最终制成 β 钛合金棒材的标准样品，其合金组分含量见表5。然后参照GB/T228.1-2010，对 β 钛合金棒材的标准样品进行室温力学性能实验测试，其力学性能测量结果见表6。
本实施例制备的 β 钛合金棒材的室温抗拉强度大于1000Mpa，力学性能与传统钛合金Ti-6Al-4V相当，冷加工变形率优于Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si(Timetal 62S)，适合冷加工成型，利用本实施例制备的 β 钛合金能进一步扩大 β 钛合金的使用范围。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金，其合金组分的质量百分数为：4.0wt%的铝、2.0wt%的铁、9.0wt%的铬、2.0wt%的锆、0.04wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氢，余量为钛。
实施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金的棒材制备方法，其特征在于，将海绵钛、纯铝、纯铁、纯铬，纯锆进行配料，按照下述原料组分的质量百分数，进行原料组分材料称量：4.0wt%的铝、2.0wt%的铁、9.0wt%的铬、2.0wt%的锆，其它原料为钛，将完成配料后的各原料组分材料混合后采用挤压法制成电极块，然后在真空等离子箱内焊接成真空电极，然后通过4次真空自耗电极电弧熔炼制成铸锭，铸锭在1100℃温度下经过开坯锻造成直径为Φ45mm的轧制棒坯，然后棒坯加热到820℃，在横列式轧机上轧制成直径为Φ20mm的 β 钛合金棒材；然后采用真空退火的热处理方式对所制备的 β 钛合金棒材按表8的热处理制度进行轧制后热处理，控制退火温度为640℃，保温时间为2 h，冷却方式为空冷，最终制成 β 钛合金棒材的标准样品，其合金组分含量见表7。然后参照GB/T228.1-2010，对 β 钛合金棒材的标准样品进行室温力学性能实验测试，其力学性能测量结果见表8。
本实施例制备的 β 钛合金棒材的室温抗拉强度大于1000Mpa，力学性能与传统钛合金Ti-6Al-4V相当，冷加工变形率优于Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si(Timetal 62S)，适合冷加工成型，利用本实施例制备的β钛合金能进一步扩大 β 钛合金的使用范围。
上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明含Fe、Cr、Zr合金元素的 β 钛合金及其板材和棒材的制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。