一种高强高塑钛铝铁硅碳合金的制作方法

本发明属于有色金属技术领域，特别涉及一种钛合金。

背景技术：

钛合金有良好的力学性能、耐腐蚀及生物相容性等优点，广泛应用于汽车、船舶、航空航天、医疗等领域。部分牌号的钛合金如Ti-6Al-4V，Ti-10V-2Fe-3Al中所含的V元素有微毒性，并且原料价格较高，因此，人们希望找到其他更适宜的元素替代V。早期，美国研究人员用Fe代替V，研发了Ti-6Al-4Fe合金，该合金有更高的强度及与Ti-6Al-4V合金相近的塑性(Ti-6Al-4V抗拉强度为980MPa，应变为14％；Ti-6Al-4Fe抗拉强度为1100MPa，应变为14％)。可见，通过元素替代或者添加少量、微量其它元素，在一定程度上能达到改善性能、降低成本的作用，但是，单纯用Fe取代V所得到的合金的力学性能还不令人满意。

进一步降低钛合金的原料成本，调控合金组织以提高性能，是新型低成本高性能钛合金研发的核心问题。研究发现，微量的C或Si元素加入到钛合金中能起到改善组织，提高性能的作用。但是，C和Si等微量元素各自加入钛合金中的作用机理，及其对合金的影响程度不尽相同。那么如何进一步降低低合金的原料成本，即改善钛合金组织，又能提高性能，是达到理想的合金化效果的核心问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种原料成本低廉、易于加工的高强高塑钛铝铁碳硅合金。

本发明的高强高塑钛铝铁碳硅合金，其化学成分的质量百分比如下：Al 6％、Fe 3.972％、C 0.028％、Si 0.25-1％，余量为Ti量和不可避免的杂质。

上述钛铝铁碳硅合金的制备方法如下：

将上述成分的合金置于水冷铜坩埚中，利用真空非自耗电弧炉进行熔炼，熔炼前电弧炉的背底真空高于2.0×10^-2Pa，弧焊电源电流工作范围为400A，电压为20V，熔炼温度为1700-2100℃，单个铸锭每次熔炼时间为4分钟，反复熔炼最少8次，熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却至室温，熔炼均匀的合金从坩埚中取出后，利用轧机在850℃进行多道次轧制，最终变形量达到70-75％，随后水冷至室温，得到高强高塑钛铝铁碳硅合金。

Ti-6Al-4Fe合金由α和β两相组成，具有良好的强度与塑性，微量C和Si的同时加入在基体中形成硬脆的TiC和TiSi相，起到强化基体的作用。此外，C和Si的同时加入所形成的微量化合物相在凝固过程中可作为形核剂，有效细化基体组织，改善其形貌和分布，进一步提高合金的力学性能。

本发明中Ti为主体元素，Al、Fe为主要合金化元素，C和Si为微合金化元素。所用合金元素的作用包括固溶强化、第二相强化、改善合金微观组织等。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、同时加入C、Si两种元素，得到的复合强化效果可远高于添加单元素的强化效果，所得到的钛铝铁碳硅合金屈服强度可达1146-1272MPa，断裂强度可达1216-1357MPa，大幅高于Ti-6Al-4V及Ti-6Al-4Fe合金，延伸率与Ti-6Al-4V相当，可达12.01-12.88％(应变13.33-14.12％)。

2、所用原料成本低廉，无毒无害，易于加工。

附图说明

图1为本发明实施例1-3制得的钛铝铁碳硅合金单轴拉伸条件下的工程应力-应变曲线图。

图2为本发明实施例1制得的钛铝铁碳硅合金的金相图。

具体实施方式

实施例1

用71.8g纯钛丝、4.8g纯铝、3.2g碳含量为0.7％的铁碳合金、0.8g纯硅粉为原料配料，用非自耗真空电弧炉熔炼，熔炼时电弧炉的背底真空度为2.0×10^-2Pa，弧焊电源工作电流为400A，工作电压为20V，熔炼温度为1700-2100℃，单个铸锭每次熔炼时间为4分钟，合金经初次熔炼成一个整体后，在坩埚中翻面进行二次熔炼，如此反复，共计8次，熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却至室温，熔炼均匀的合金从坩埚中取出后，制得铸态钛铝铁碳硅合金。将铸态合金在850℃热处理炉中保温30min，随后取出用轧机进行多道次轧制，每次轧制后回炉保温5min，轧制样品初始厚度约为18mm，一次轧制变型约为1mm，最终压下量约为14mm，总变形量达到75％，随后水冷至室温，制得高强高塑钛铝铁碳硅合金。

待合金轧制完毕，用电火花线切割从合金片不同位置切下拉伸试样，用带有引伸计的拉伸力学试验机进行力学性能测试。

如图1所示，可以看出所制备的合金的屈服强度1272MPa，断裂强度1357MPa，并且在单轴拉伸条件下其延伸率达到12.71％(应变14.03％)，是一种兼具高强度和塑性的高性能合金材料。

如图2所示，可以看出合金的显微组织由基体和在基体中均匀分布的TiSi强化相组成，其中基体的晶粒尺寸在微米级，强化相为颗粒状，尺寸在纳米级。

实施例2

用71.8g纯钛丝、4.8g纯铝、3.2g碳含量为0.7％的铁碳合金、0.4g纯硅粉为原料配料，用非自耗真空电弧炉熔炼，熔炼时电弧炉的背底真空度为2.0×10^-2Pa，弧焊电源工作电流为400A，工作电压为20V，熔炼温度为1700-2100℃，单个铸锭每次熔炼时间为4分钟，合金经初次熔炼成一个整体后，在坩埚中翻面进行二次熔炼，如此反复，共计8次，熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却至室温，熔炼均匀的合金从坩埚中取出后，制得铸态钛铝铁碳硅合金。将铸态合金在热处理炉中850℃下保温30min，随后取出用轧机进行多道次轧制，每次轧制后回炉保温5min，轧制样品初始厚度约为18mm，一次轧制变型约为1mm，最终压下量约为14mm，总变形量达到70％，随后水冷至室温，制得高强高塑钛铝铁碳硅合金。

如图1所示，所制备的合金的屈服强度1188MPa，断裂强度1262MPa，并且在单轴拉伸条件下其延伸率达到12.01％(应变13.33％)。

实施例3

用71.8g纯钛丝、4.8g纯铝、3.2g碳含量为0.7％的铁碳合金、0.2g纯硅粉为原料配料，用非自耗真空电弧炉熔炼，熔炼时电弧炉的背底真空度为2.0×10^-2Pa，弧焊电源工作电流为400A，工作电压为20V，熔炼温度为1700-2100℃，单个铸锭每次熔炼时间为4分钟，合金经初次熔炼成一个整体后，在坩埚中翻面进行二次熔炼，如此反复，共计8次，熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却至室温，熔炼均匀的合金从坩埚中取出后，制得铸态钛铝铁碳硅合金。将铸态合金在850℃热处理炉中保温30min，随后取出用轧机进行多道次轧制，每次轧制后回炉保温5min，轧制样品初始厚度约为18mm，一次轧制变型约为1mm，最终压下量约为14mm，总变形量达到73％，随后水冷至室温，制得高强高塑钛铝铁碳硅合金。

如图1所示，可以看出所制备的合金的屈服强度1146MPa，断裂强度1216MPa，并且在单轴拉伸条件下其延伸率达到12.88％(应变14.12％)。