本发明属于钛合金
技术领域：
，具体涉及一种WSTi45561超高强度钛合金，本发明还涉及上述WSTi45561超高强度钛合金的制备方法。
背景技术：
：WSTi45561名义成分为Ti-4Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb，是一种1400MPa级超高强度近β型钛合金，与TB16等合金同属于Ti-Al-Mo-V-Cr系列近β型钛合金。WSTi45561合金具有较高的比强度、室温塑性、冲击韧性以及疲劳性能，是重要的航空航天结构用材料。为了获得强度、韧性和疲劳性能的综合匹配，WSTi45561合金中添加了大量钼、铬、钒、铝以及少量的铌元素。上述合金元素在熔化过程中将发生不同程度的挥发，最终决定了钛合金的化学成分。与其它元素相比，在2200K下，铝元素的饱和蒸气压约为240Pa，钼元素的饱和蒸汽压为6.68×10-4Pa,钛和钒元素的饱和蒸汽压均为10-2Pa数量级，然而钛合金熔点接近1900K，钼、钒等金属元素熔点更高，为了保证充分合金化的同时精确控制铸锭化学成分，一方面需要设计合金元素的添加方式，另一面需要采用真空自耗熔炼方式，并且优化熔炼工艺，最终获得高纯、高均匀的工业级WSTi45561钛合金铸锭。采用常规的真空自耗电弧熔炼工艺，以纯金属和海绵钛形式制备自耗电弧熔炼用电极块，再进行两次真空自耗熔炼，无法精确控制铝、钼、钒和铬等元素含量，还可能形成富铌形式的不熔块缺陷。另外，铝和铬元素极易在凝固过程形成偏析，铸锭化学成分均匀性下降。因此，合金元素的配入方式和熔炼工艺是WSTi45561合金制备的关键。技术实现要素：本发明的目的是提供一种WSTi45561超高强度钛合金，解决了常规熔炼方法制备WSTi45561合金产生的元素偏析和富铌不熔块的冶金缺陷问题。本发明的另一目的是提供上述WSTi45561超高强度钛合金的制备方法。本发明所采用的技术方案是，一种WSTi45561耐热钛合金，按照重量百分比有以下元素组成：Al：2.0％～6.0％，Mo：3.0％～7.0％，V：3.0％～7.0％，Cr：2.0％～8.0％，Nb：0.0％～4.0％，Fe≤2.00％，O≤0.30％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.20％，以上组分重量百分比之和为100％。本发明特点还在于，钼元素来源于钼含量为55.0％～75.0％的颗粒状铝钼合金，钒元素来源于钒含量为70.0％～90.0％的颗粒状铝钒合金，铌元素来源于铌含量为70.0％～80.0％的铝铌合金.Al元素来源于铝豆、以及颗粒状铝钼合金、铝钒合金和铝铌合金；Cr元素来源于颗粒状金属铬。本发明所采用的另一种技术方案是，上述WSTi45561超高强度钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1，制备电极：将颗粒状的铝钼合金、铝钒合金、铝铌合金，以及金属铬、铝豆和小颗粒海绵钛进行单块电极混料，并压制成电极块；步骤2，焊接自耗电极：用夹具夹紧步骤1得到的电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将电极块焊接为自耗电极；步骤3，采用真空自耗电弧炉进行对步骤2得到自耗电极进行三次真空熔炼，即得到WSTi45561钛合金铸锭。本发明的特点还在于，步骤1中屑状钛锡合金的锡含量为65.0％～75.0％，屑状铌钛合金的铌含量为50.0％～56.0％，粉末状钛硅合金的硅含量为45.0％～55.0％，颗粒状铝钼合金的钼含量为60.0％～70.0％。步骤2中电极为八面电极。步骤3中电极焊接的电流为200～400A，焊接电压为35～45V。步骤3中一次熔炼参数为：坩埚规格Φ280～Φ560mm，熔前真空度≤2.0Pa，漏气率≤1.0Pa/min，熔炼电压30～40V，熔炼电流12～24kA，稳弧电流直流3.0～14.0A，冷却时间4～8h。步骤3中二次熔炼参数为：坩埚规格Φ440～Φ640mm，熔前真空度≤1.8Pa，漏气率≤0.8Pa/min，熔炼电压32～40V，熔炼电流14～28kA，稳弧电流交流5.0～16.0A，冷却时间4～8h。步骤3中三次熔炼参数为：坩埚规格Φ560～Φ720mm，熔前真空度≤1.5Pa，漏气率≤0.5Pa/min，熔炼电压32～40V，熔炼电流17～28kA，稳弧电流交流8.0～18.0A，冷却时间4～8h。本发明的有益效果是，本发明采用颗粒状铝钼、铝钒和铝铌中间合金代替块状纯钼、纯钒和纯铌，选用小颗粒高纯金属铬，高品位0.83～12.7mm小颗粒海绵钛，严格控制原材料中的氧含量及其它杂质元素含量。电极压制前采用单块电极混料，充分混合均匀；电极在非钨极真空等离子焊箱中完成整个电极焊接过程，避免了钨或其他杂质的污染以及电极氧化；采用真空自耗电弧炉进行三次熔炼，熔炼过程对真空度、漏气率等参数进行严格控制，使整个铸锭成分横向和纵向均匀性均得到提高、杂质含量降低。成功突破了工业1吨级、3吨级和5吨级大规格铸锭化学成分均匀性控制技术，控制了铝元素在熔炼过程中的烧损，避免了高熔点钼、钒和铌元素形成不熔块等冶金缺陷，有效的解决了成分偏析，杂质和间隙元素的含量控制、批次稳定性等问题，适用于Φ280～Φ720mm规格WSTi45561钛合金铸锭的工业化生产。制备得到的WSTi45561钛合金铸锭能够用于加工高强度轴类锻件，适用于制造航空航天紧固件、起落架以及挂架等关键零部件。附图说明图1是对采用本发明方法得到的铸锭纵向5点取样示意图；图2是对采用本发明方法得到的铸锭横向9点取样示意图；图3是本发明实例2得到的铸锭纵向5点化学成分含量分布图；图4是本发明实例2得到的铸锭横向9点Al元素含量分布图；图5是本发明实例2得到的铸锭横向9点Mo元素含量分布图；图6是本发明实例2得到的铸锭横向9点V元素含量分布图；图7是本发明实例2得到的铸锭横向9点Cr元素含量分布图；图8是本发明实例2得到的铸锭横向9点Nb元素含量分布图。图中，1.铸锭，2.纵向取样点，3.横向取样点。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明一种WSTi45561超高强度钛合金，按照重量百分比有以下元素组成：Al：2.0％～6.0％，Mo：3.0％～7.0％，V：3.0％～7.0％，Cr：2.0％～8.0％，Nb：0.0％～4.0％，Fe≤2.00％，O≤0.30％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.20％，以上组分重量百分比之和为100％。上述WSTi45561超高强度钛合金制备方法，具体包括以下步骤：步骤1，制备电极：按照各元素重量百分比为：Al：2.0％～6.0％，Mo：3.0％～7.0％，V：3.0％～7.0％，Cr：2.0％～8.0％，Nb：0.0％～4.0％，Fe≤2.00％，O≤0.30％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.20％，以上组分重量百分比之和为100％，计算合金配比并分别称取钼含量为55.0％～75.0％的颗粒状铝钼合金，钒含量为70.0％～90.0％的颗粒状铝钒合金，铌含量为70.0％～80.0％的铝铌合金，以及颗粒状的金属铬和铝豆，与粒度为0.83～12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料，并用大型液压机压制成电极块，压制压力≥20MPa，压制时间≥4s。步骤2，焊接自耗电极：用夹具夹紧电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将电极块焊接成一个正方体电极，即为自耗电极，电极焊接的电流为200～400A，焊接电压为35～45V；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。步骤3，采用真空自耗电弧炉进行对步骤2得到自耗电极进行三次真空熔炼：一次熔炼：将步骤2得到自耗电极置于坩埚规格Φ160～Φ560mm，熔前真空度≤2.0Pa，漏气率≤1.0Pa/min，熔炼电压30～40V，熔炼电流12～24kA，稳弧电流直流3.0～14.0A，冷却时间4～8h，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；二次熔炼：将一次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，坩埚规格Φ220～Φ640mm，熔前真空度≤1.8Pa，漏气率≤0.8Pa/min，熔炼电压32～40V，熔炼电流14～28kA，稳弧电流交流5.0～16.0A，冷却时间4～8h，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；三次熔炼：将二次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，坩埚规格Φ280～Φ720mm，熔前真空度≤1.5Pa，漏气率≤0.5Pa/min，熔炼电压32～40V，熔炼电流17～28kA，稳弧电流交流8.0～18.0A，冷却时间4～8h，即得到WSTi45561钛合金铸锭。本发明采用颗粒状铝钼、铝钒和铝铌中间合金代替块状纯钼、纯钒和纯铌，选用小颗粒高纯金属铬，高品位0.83～12.7mm小颗粒海绵钛，严格控制原材料中的氧含量及其它杂质元素含量，电极压制前采用单块电极混料，充分混合均匀；电极在非钨极真空等离子焊箱中完成整个电极焊接过程，避免了钨或其他杂质的污染以及电极氧化；采用真空自耗电弧炉进行三次熔炼，熔炼过程对真空度、漏气率等参数进行严格控制，使整个铸锭成分横向和纵向均匀性均得到提高、杂质含量降低。成功突破了工业1吨、3吨和5吨级大规格铸锭化学成分均匀性控制技术，减少了铝元素在熔炼过程中的烧损，避免了高熔点钼、钒和铌元素形成不熔块等冶金缺陷。有效的解决了成分偏析，杂质和间隙元素的含量控制、批次稳定性等问题，适用于Φ280～Φ720mm规格WSTi45561钛合金铸锭的工业化生产。实施例1步骤1，按照各元素重量百分比为：Al2.0％，Mo3.0％，V3.0％，Cr2.0％，Nb0.1％，Fe≤0.50％，O≤0.30％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.20％，以上组分重量百分比之和为100％，分别称取钼含量为55.0％～75.0％的颗粒状铝钼合金，钒含量为70.0％～90.0％的颗粒状铝钒合金，铌含量为70.0％～80.0％的铝铌合金，以及颗粒状的金属铬和铝豆，与粒度为0.83～12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料。步骤2，将步骤1混合的原料倒入大型液压机模腔并压制成致密电极块，压制力20MPa，保压时间4s；步骤3，用夹具夹紧电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接电流200A，焊接电压35V，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；步骤4，采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的自耗电极进行三次真空熔炼，具体为：一次熔炼：结晶器规格Φ160mm，熔前真空度≤2.0Pa，熔炼电压30V～35V，熔炼电流12kA～18kA，漏气率控制在1.0Pa/min以下，稳弧电流采用直流3A～10A，熔炼后冷却时间4.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；二次熔炼：将一次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，结晶器规格Φ220mm，熔前真空度≤1.8Pa，熔炼电压32V～37V，熔炼电流14kA～20kA；漏气率控制在0.8Pa/min以下，稳弧电流采用交流5A～12A，熔炼后冷却时间4.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；三次熔炼：将二次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼；结晶器规格Φ280mm，熔前真空度≤1.5Pa，熔炼电压32V～36V，熔炼电流18kA～24kA；漏气率控制在0.5Pa/min以下，稳弧电流采用交流7A～14A，熔炼后冷却时间4.0小时，得到Φ280mm的WSTi45561钛合金铸锭。实施例2步骤1，按照各元素重量百分比为：Al4.2％，Mo5.0％，V5.0％，Cr6.0％，Nb1.0％，Fe≤1.00％，O≤0.30％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.20％，以上组分重量百分比之和为100％，分别称取钼含量为55.0％～75.0％的颗粒状铝钼合金，钒含量为70.0％～90.0％的颗粒状铝钒合金，铌含量为70.0％～80.0％的铝铌合金，以及颗粒状的金属铬和铝豆，与粒度为0.83～12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料。步骤2，将步骤1混合的原料倒入大型液压机模腔并压制成致密电极块，压制压强22MPa，保压时间6s；步骤3，用夹具夹紧电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接电流300A，焊接电压40V，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；步骤4，采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的自耗电极进行三次真空熔炼，具体为：一次熔炼：结晶器规格Φ440mm，熔前真空度≤2.0Pa，熔炼电压32～37V，熔炼电流14～20kA；漏气率控制在1.0Pa/min以下，稳弧电流采用直流5～12A，熔炼后冷却时间6.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；二次熔炼：将一次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，结晶器规格Φ560mm，熔前真空度≤1.8Pa，熔炼电压33～38V，熔炼电流16～22kA；漏气率控制在0.8Pa/min以下，稳弧电流采用交流7～14A，熔炼后冷却时间6.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；三次熔炼：将二次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，结晶器规格Φ640mm，熔前真空度≤1.2Pa，熔炼电压33～37V，熔炼电流20～22kA；漏气率控制在0.5Pa/min以下，稳弧电流采用交流10～16A，熔炼后冷却时间6.0小时，得到Φ640mm的WSTi45561钛合金铸锭。实施例3步骤1，按照各元素重量百分比为：Al6.0％，Mo7.0％，V7.0％，Cr8.0％，Nb4.0％，Fe≤2.00％，O≤0.30％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.20％，以上组分重量百分比之和为100％，分别称取钼含量为55.0％～75.0％的颗粒状铝钼合金，钒含量为70.0％～90.0％的颗粒状铝钒合金，铌含量为70.0％～80.0％的铝铌合金，以及颗粒状的金属铬和铝豆，与粒度为0.83～12.7mm的小颗粒海绵钛进行单块电极混料。步骤2：将步骤1混合的原料倒入大型液压机模腔并压制成致密电极块，压制压强28MPa，保压时间8s；步骤3：用夹具夹紧电极块，采用非钨极氩气保护等离子箱将压制好的电极块焊接为自耗电极，焊接电流400A，焊接电压45V，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；步骤4：采用真空自耗电弧炉对步骤2得到的自耗电极进行三次真空熔炼，具体为：一次熔炼：结晶器规格Φ560mm，熔前真空度≤2.0Pa，熔炼电压33～38V，熔炼电流18～24kA；漏气率控制在1.0Pa/min以下，稳弧电流采用直流7～14A，熔炼后冷却时间8.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；二次熔炼：将一次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼，结晶器规格Φ640mm，熔前真空度≤1.6Pa，熔炼电压33～40V，熔炼电流22～28kA；漏气率控制在0.5Pa/min以下，稳弧电流采用交流10～16A，熔炼后冷却时间8.0小时，熔炼完成后对在车床对铸锭进行倒角处理；三次熔炼：将二次熔炼并倒角后的铸锭倒置并重新熔炼；结晶器规格Φ720mm，熔前真空度≤0.8Pa，熔炼电压35～40V，熔炼电流22kA～28kA；漏气率控制在0.5Pa/min以下，稳弧电流采用交流12～18A，熔炼后冷却时间8.0小时，得到Φ720mm的WSTi45561钛合金铸锭。按照图1和2所示，对实施例中制得的规格分别为Φ280mm、Φ640mm和Φ720mm的WSTi45561合金1吨、3吨和5吨级工业大型铸锭的纵向头、上、中、下、尾5点和横截面9点进行取样及化学成分检测，数据显示铸锭各部位各元素成分分布均匀以及批次间的稳定性较好；以及对铸锭头、中、尾部位切片进行X射线透射，结果显示未发现任何成分偏析和冶金缺陷；其中实例2得到的Φ640mm规格WSTi45561钛合金铸锭纵向5点和横向9点化学成分分析结果分别如图3和4所示(纵坐标为元素重量百分比)，其中纵向5点化学成分在表1中列出，图4-8分别表示各元素的不同取样点的含量分布。表1Φ640mm规格WSTi45561钛合金铸锭纵向5点化学成分列表化学元素wt％AlMoVCrNb头4.224.954.915.921.02上4.254.975.056.051.02中4.304.984.965.971.02下4.184.974.935.951.02尾4.224.975.015.981.02由测试结果可知，采用本发明的熔炼工艺技术生产的WSTi45561钛合金工业级大型铸锭成分均匀，并且批次稳定性良好，适用于工业化生产。当前第1页1 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