背景技術(shù)：
鈦在地殼中的存量相對豐富，占地殼總重量的0.42％，分布范圍廣，含鈦礦物多，隨著冶煉技術(shù)的提高，其冶煉技術(shù)越來越成熟，提煉成本也日益降低。鈦金屬有兩種晶型，在882℃時發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由低溫密排六方結(jié)構(gòu)的α相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷伢w心立方結(jié)構(gòu)的β相。鈦及鈦合金是一種新型金屬材料，在所有金屬中有最高的比強(qiáng)度，且塑性優(yōu)良，在氯酸鹽、氯化物、硫酸鹽、有機(jī)酸以及大部分堿性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，且具有優(yōu)良的抗疲勞、抗蠕變和無磁性等特性，所以在其應(yīng)用服役中，可減少維修成本、延長壽命周期，大大提高可靠性。鈦及鈦合金的其應(yīng)用范圍廣泛，遍及海洋工程、航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、冶金、化工、輕工等諸多領(lǐng)域。隨著鈦及鈦合金被廣發(fā)應(yīng)用，如今工業(yè)的發(fā)展和服役的環(huán)境對鈦合金性能提出了更苛刻的要求，傳統(tǒng)鈦合金在強(qiáng)度、抗腐蝕性能方面已經(jīng)很難達(dá)到當(dāng)下在工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，而高強(qiáng)度鈦合金是目前研究開發(fā)和應(yīng)用的重點方向之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕性能優(yōu)異、制備成本低的高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金及制備方法。本發(fā)明的鈦合金的制備方法中，鈦的α相為密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系較體心立方的β相少，表現(xiàn)為α相鈦合金的強(qiáng)度比較高，Al是Ti基體的α相穩(wěn)定元素，顯著提高了鈦合金高溫β向低溫α的轉(zhuǎn)變溫度，水淬熱處理后獲得的全部為在室溫下穩(wěn)定存在的α相。

本發(fā)明的高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金為TiZrAlB系列，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為：Zr：5～20、Al：3.3～4.7、B：0.005，余量為Ti元素和其他不可避免的雜質(zhì)；所述硼為高純硼；

上述高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金的制備方法：

(1)鑄錠：將上述鈦、鋯、鋁原材料洗凈干燥后，加入高純硼，放入真空非自耗電弧熔煉爐中的水冷銅坩堝內(nèi)，銅坩堝內(nèi)壁要預(yù)先做清潔處理并擦拭干凈，避免帶入其他雜質(zhì)，爐腔內(nèi)真空度為8×10^-3Pa以下，然后充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，并進(jìn)行常規(guī)熔煉，鑄錠要反復(fù)熔煉五遍，以確保成分均勻；

(2)熱軋：軋制前將步驟(1)中的合金鑄錠放入馬弗爐中加熱到890℃～930℃并保溫0.5～1小時迅速取出在雙輥軋機(jī)上進(jìn)行軋制變形，軋制工藝采用多道次軋制變形，每道次的壓下量為2mm，每道次軋制后，將其放入馬弗爐中加熱至相應(yīng)的軋制溫度，并保溫5～10分鐘，直至合金鑄錠最終軋制成厚度為5mm的合金板，其最終變形量約為65％～70％；

(3)固溶處理：固溶溫度為將步驟(2)最終軋制成5mm的合金板的軋制溫度，保溫1分鐘，然后迅速放入室溫水中進(jìn)行淬火處理，待合金板完全冷卻后取出，將制備出的合金板材表面的氧化皮打磨干凈，并將其洗凈，最終制得高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金。

本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、制得的高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金強(qiáng)度高、密度低、具有優(yōu)異的耐腐蝕性能且塑性較好。

2、通過合金化，在基體鈦中添加了元素Zr、元素Al和元素B，對相變溫度影響不大的中性元素Zr與Ti形成無限固溶體，從而實現(xiàn)固溶強(qiáng)化，且Zr的致鈍電位較Ti更負(fù)，即使在弱氧化條件環(huán)境中依然可以發(fā)生鈍化，提高了表面生成致密氧化膜的能力，提升了其耐腐蝕性能；元素Al極大的提高了α相的穩(wěn)定性和β-α轉(zhuǎn)變溫度，合金在淬火后獲得的均為細(xì)小的α相，同時也可以使合金在一定程度上實現(xiàn)輕量化；微量元素B的添加也使晶粒得到細(xì)化。

3、制得的高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金與相似的鈦合金(Ti-4Al-0.005B)相比，抗拉強(qiáng)度提高了18％～67％，氯化鈉中的抗腐蝕能力提高了7％～27％，兩方面均得到了非常顯著的提高。

4、成本低，操作過程簡單。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制得的高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金的拉伸試樣尺寸圖。

圖2是本發(fā)明實施例1制得的高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金的金相光學(xué)顯微圖。

圖3是本發(fā)明實施例2制得的高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金的金相光學(xué)顯微圖。

圖4是本發(fā)明實施例3制得的高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金的金相光學(xué)顯微圖。

具體實施方式

實施例1

取工業(yè)級海綿鈦91.695g、海綿鋯5g、純鋁3.3g浸于無水乙醇中，超聲波清洗后配入高純硼0.005g，按合金成分Ti-5Zr-4Al-0.005B(質(zhì)量百分比)配料，置入非自耗真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中，爐腔內(nèi)的抽真空到8×10^-3Pa，引弧熔煉前充入高純氬氣作為保護(hù)氣后方可進(jìn)行常規(guī)熔煉，每次熔煉完畢后，對鑄錠進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理，反復(fù)熔煉及翻轉(zhuǎn)鑄錠五次以上以保證最終獲取的鑄錠成分均勻；

將上述合金鑄錠放入馬弗爐中(KL-13、天津市凱恒電熱技術(shù)有限公司)加熱到930℃，保溫0.5小時，迅速取出在雙輥軋機(jī)(200型二輥軋機(jī)、燕山大學(xué)軋機(jī)研究所)上進(jìn)行多道次軋制變形，每道次的壓下量約為2mm，每道次軋制后，放入馬弗爐重新加熱至930℃并保溫5分鐘，合金鑄錠最終軋制成厚度為5mm的合金板，其最終變形量達(dá)65％；軋制結(jié)束后，重新加熱至930℃，保溫1分鐘，然后迅速在室溫水中進(jìn)行淬火處理，等合金板完全冷卻后取出，細(xì)致的打磨掉合金板表面的氧化層，并將其洗凈，制得高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金。

用線切割將軋制完成的合金板切出如圖1所示的拉伸試樣，進(jìn)行拉伸試驗，由此獲得其力學(xué)性能相關(guān)數(shù)據(jù)；再用制得的合金板用線切割切出尺寸為10mm*10mm*2mm的鹽霧試驗試樣，每塊合金板切出5個試樣，確保實驗的可重復(fù)性。以10mm*10mm面為被測試面，用酚醛塑料粉在金相試驗鑲嵌機(jī)(XQ-1、上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司)中對其它非測試面進(jìn)行密封處理，取出后將被測試面用砂紙打磨至3000#后進(jìn)行拋光，然后清洗并吹干表面，以GB/T 10125-1997為試驗依據(jù)在濃度為5％的氯化鈉溶液環(huán)境下進(jìn)行中性鹽霧試驗，按照標(biāo)準(zhǔn)依次對試樣清洗、稱量、放置、觀察和對鹽霧試驗機(jī)(BY-120A、北京博宇翔達(dá)儀器有限公司)進(jìn)行維護(hù)、調(diào)整等，試驗周期為1440個小時(兩個月)，由此獲得其腐蝕性能相關(guān)數(shù)據(jù)。

如圖2所示，本實施例所制得的高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金是由細(xì)小的板條狀α相組成，與參考文獻(xiàn)1中制得的鈦合金(Ti-4Al-0.005B)相比，α相板條寬度減小很多。

使用型號為Instron 5982的萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行單軸拉伸測試(帶引伸計)，拉伸速率設(shè)定為5×10^-4s^-1，其力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示，細(xì)小的板條狀α相使得合金的強(qiáng)度得到了極大的改善，與參考文獻(xiàn)1中的鈦合金相比，抗拉強(qiáng)度提高了18.0％。抗腐蝕性能測試結(jié)果如表2所示，Zr含量的增加使其抗腐蝕性能更加優(yōu)異，與參考文獻(xiàn)1中的鈦合金(Ti-4Al-0.005B)相比較，在氯化鈉溶液中的抗腐蝕能力提高了7.30％。

實施例2

取工業(yè)級海綿鈦85.995g、海綿鋯10g、純鋁4g浸于無水乙醇中，超聲波清洗后配入高純硼0.005g，按合金成分Ti-10Zr-4Al-0.005B(質(zhì)量百分比)配料，置入非自耗真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中，爐腔內(nèi)的真空度要抽到7×10^-3Pa，引弧熔煉前充入高純氬氣作為保護(hù)氣后方可進(jìn)行常規(guī)熔煉，每次熔煉完畢后，對鑄錠進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理，反復(fù)熔煉及翻轉(zhuǎn)鑄錠五次以上以保證最終獲取的鑄錠成分均勻；

將上述合金鑄錠放入馬弗爐中(KL-13、天津市凱恒電熱技術(shù)有限公司)加熱到910℃，保溫45分鐘，迅速取出在雙輥軋機(jī)(200型二輥軋機(jī)、燕山大學(xué)軋機(jī)研究所)上進(jìn)行多道次軋制變形，每道次的壓下量約為2mm，每道次軋制后，放入馬弗爐重新加熱至910℃并保溫8分鐘，合金鑄錠最終軋制成厚度為5mm的合金板，其最終變形量達(dá)67％；軋制結(jié)束后，重新加熱至910℃，保溫1分鐘，然后迅速在室溫水中進(jìn)行淬火處理，等合金板完全冷卻后取出，細(xì)致的打磨掉合金板表面的氧化層，并將其洗凈，制得高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金。

用線切割將軋制完成的合金板切出拉伸試樣，進(jìn)行拉伸試驗，由此獲得其力學(xué)性能相關(guān)數(shù)據(jù)；再用制得的合金板用線切割切出尺寸為10mm*10mm*2mm的鹽霧試驗試樣，每塊合金板切出5個試樣，確保實驗的可重復(fù)性。以10mm*10mm面為被測試面，用酚醛塑料粉在金相試驗鑲嵌機(jī)(XQ-1、上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司)中對其它非測試面進(jìn)行密封處理，取出后將被測試面用砂紙打磨至3000#后進(jìn)行拋光，然后清洗并吹干表面，以GB/T 10125-1997為試驗依據(jù)在濃度為5％的氯化鈉溶液環(huán)境下進(jìn)行中性鹽霧試驗，按照標(biāo)準(zhǔn)依次對試樣清洗、稱量、放置、觀察和對鹽霧試驗機(jī)(BY-120A、北京博宇翔達(dá)儀器有限公司)進(jìn)行維護(hù)、調(diào)整等，試驗周期為1440個小時(兩個月)，由此獲得其腐蝕性能相關(guān)數(shù)據(jù)。

如圖3所示，本實施例所制得的鈦基合金是由細(xì)小的板條狀α相組成，與參考文獻(xiàn)1中制得的鈦合金(Ti-4Al-0.005B)相比，α相板條寬度減小很多。

使用型號為Instron 5982的萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行單軸拉伸測試(帶引伸計)，拉伸速率設(shè)定為5×10^-4s^-1，其力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示，細(xì)小的板條狀α相使得合金的強(qiáng)度得到了極大的改善，與參考文獻(xiàn)1中的鈦合金相比，抗拉強(qiáng)度提高了33.6％?？垢g性能測試結(jié)果如表2所示，Zr含量的增加使其抗腐蝕性能更加優(yōu)異，與與參考文獻(xiàn)1中的鈦合金(Ti-4Al-0.005B)相比較，在氯化鈉溶液中的抗腐蝕能力提高了17.16％。

實施例3

取工業(yè)級海綿鈦76.695g、海綿鋯20g、純鋁4.7g浸于無水乙醇中，超聲波清洗后配入高純硼0.005g，按合金成分Ti-20Zr-4Al-0.005B(質(zhì)量百分比)配料，置入非自耗真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中，爐腔內(nèi)的真空度要抽到6×10^-3Pa，引弧熔煉前充入高純氬氣作為保護(hù)氣后方可進(jìn)行常規(guī)熔煉，每次熔煉完畢后，對鑄錠進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理，反復(fù)熔煉及翻轉(zhuǎn)鑄錠五次以上以保證最終獲取的鑄錠成分均勻；

將上述合金鑄錠放入馬弗爐中(KL-13、天津市凱恒電熱技術(shù)有限公司)加熱到890℃，保溫1小時，迅速取出在雙輥軋機(jī)(200型二輥軋機(jī)、燕山大學(xué)軋機(jī)研究所)上進(jìn)行多道次軋制變形，每道次的壓下量約為2mm，每道次軋制后，放入馬弗爐重新加熱至890℃并保溫10分鐘，合金鑄錠最終軋制成厚度為5mm的合金板，其最終變形量達(dá)70％；軋制結(jié)束后，重新加熱至890℃，保溫1分鐘，然后迅速在室溫水中進(jìn)行淬火處理，等合金板完全冷卻后取出，細(xì)致的打磨掉合金板表面的氧化層，并將其洗凈，制得高強(qiáng)度耐腐蝕鈦合金。

用線切割將軋制完成的合金板切出拉伸試樣，進(jìn)行拉伸試驗，由此獲得其力學(xué)性能相關(guān)數(shù)據(jù)；再用制得的合金板用線切割切出尺寸為10mm*10mm*2mm的鹽霧試驗試樣，每塊合金板切出5個試樣，確保實驗的可重復(fù)性。以10mm*10mm面為被測試面，用酚醛塑料粉在金相試驗鑲嵌機(jī)(XQ-1、上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司)中對其它非測試面進(jìn)行密封處理，取出后將被測試面用砂紙打磨至3000#后進(jìn)行拋光，然后清洗并吹干表面，以GB/T 10125-1997為試驗依據(jù)在濃度為5％的氯化鈉溶液環(huán)境下進(jìn)行中性鹽霧試驗，按照標(biāo)準(zhǔn)依次對試樣清洗、稱量、放置、觀察和對鹽霧試驗機(jī)(BY-120A、北京博宇翔達(dá)儀器有限公司)進(jìn)行維護(hù)、調(diào)整等，試驗周期為1440個小時(兩個月)，由此獲得其腐蝕性能相關(guān)數(shù)據(jù)。

如圖4所示，本實施例所制得的鈦基合金是由細(xì)小的板條狀α相組成，與參考文獻(xiàn)1中制得的鈦合金(Ti-4Al-0.005B)相比，α相板條寬度減小了很多。

使用型號為Instron 5982的萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行單軸拉伸測試(帶引伸計)，拉伸速率設(shè)定為5×10^-4s^-1，其力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示，細(xì)小的板條狀α相使得合金的強(qiáng)度得到了極大的改善，與參考文獻(xiàn)1中的鈦合金相比，抗拉強(qiáng)度提高了67.5％?？垢g性能測試結(jié)果如表2所示，Zr含量的增加使其抗腐蝕性能更加優(yōu)異，與參考文獻(xiàn)1中的鈦合金(Ti-4Al-0.005B)相比較，在氯化鈉溶液中的抗腐蝕能力提高了27.11％。

表1：本發(fā)明實施例1、2、3的力學(xué)性能測試及晶粒尺寸結(jié)果

表2：本發(fā)明實施例1、2、3的試驗標(biāo)準(zhǔn)及鹽霧試驗測試結(jié)果

注：以下為參考文獻(xiàn)1

1、廖強(qiáng),謝文龍,曲恒磊,舒瀅.熱軋溫度對TA5-A鈦合金板材組織及拉伸性能的影響[J].材料熱處理技術(shù),2012,41(16):50-52.