本發(fā)明涉及合金材料，具體涉及一種高硬度耐腐蝕鋯鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、空間碎片對(duì)航天器的威脅已經(jīng)引起了國(guó)際航天界和科學(xué)界的廣泛關(guān)注。在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)，在航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取必要的防護(hù)措施是應(yīng)對(duì)空間微小碎片的唯一有效手段。目前，對(duì)于空間碎片的防護(hù)主要包括主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。對(duì)于尺寸大于的碎片可以通過(guò)雷達(dá)和光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤預(yù)警，航天器采取主動(dòng)規(guī)避的方式避免與其發(fā)生碰撞，例如：年美國(guó)宇航局就作了次規(guī)避動(dòng)作。與大碎片相比，小碎片數(shù)量巨大，并且目前旳觀測(cè)手段很難對(duì)其進(jìn)行有效的跟蹤和分類，只能采取必要的防護(hù)技術(shù)對(duì)航天器進(jìn)行保護(hù)。自從上世紀(jì)年代一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)防護(hù)屏被應(yīng)用后，防護(hù)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，人們?cè)诮Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研發(fā)出多種改進(jìn)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，如填充防護(hù)結(jié)構(gòu)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)和混合多層防護(hù)結(jié)構(gòu)。填充材料也多樣化，如纖維，纖維和泡沫招等。國(guó)際空間站上就采用了數(shù)百種防護(hù)屏對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行防護(hù)，包括居住船和外部設(shè)備。盡管如此，一些活動(dòng)件和結(jié)構(gòu)組件由于結(jié)構(gòu)和功能的特殊性無(wú)法進(jìn)行防護(hù)，只能暴露在空間環(huán)境中，因此研發(fā)能有效對(duì)抗空間環(huán)境的高性能材料是航天器發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2、空間關(guān)鍵活動(dòng)件和構(gòu)件材料主要選用高強(qiáng)度鋼，但是鋼材料密度較大，極大限制了它的使用量。鈦合金作為一種輕質(zhì)合金，具有密度小，比強(qiáng)度高，耐腐燭，低溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展到數(shù)百個(gè)品種，其中ti-6al-4v(tc4)由于其出色的物理機(jī)械性能，在鈦合金的應(yīng)用中最為廣泛，但是t?i-6al-4v的強(qiáng)度較低，抗撞擊性能較差。眾所周知，合金的性能受合金元素的種類和含量控制，通過(guò)調(diào)節(jié)合金基體元素的配比可以改變合金的性能，因此，選擇一種能增強(qiáng)合金空間適用性的合金元素至關(guān)重要。

3、金屬鋯在元素周期表中和鈦同屬ⅳ族，具有相同的結(jié)構(gòu)，可無(wú)限固溶。鋯合金溶點(diǎn)高，熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高，并且具有適中的機(jī)械性能早期的研究表明系二元合金表現(xiàn)出較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，并且β相轉(zhuǎn)變溫度可通過(guò)調(diào)節(jié)元素組分來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。目前金屬鋯廣泛應(yīng)用在核工業(yè)中，被譽(yù)為“原子時(shí)代的第一金屬”。鋯具有較小的熱中子吸收截面，具有優(yōu)異的抗中子輻照性能，此外，鋯還具有優(yōu)異的抗氧化性能，因此，在空間高能粒子福照和原子氧侵燭環(huán)境下鋯及其合金的應(yīng)用前景是值得期待的。

4、該合金克服了硬度小和強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)鋼材料相比，該合金不僅具有高硬度，而且密度僅為鋼的2/3，且耐腐蝕性更強(qiáng)，可以應(yīng)用于航天等領(lǐng)域。但是目前合金的性能還有待提升，因此急需研究一種新的制備方法以盡可能提高鈦合金的硬度及耐腐蝕等各項(xiàng)綜合性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高硬度耐腐蝕鋯鈦合金及其制備方法，本發(fā)明提供的高硬耐腐蝕鋯鈦合金具有硬度高和耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，硬度最高能達(dá)到800hv以上，相較于傳統(tǒng)的300hv以上具有了大幅度提升，且耐腐蝕性大大提高，能夠應(yīng)用于航天等多個(gè)領(lǐng)域。

2、具體地，一方面，本發(fā)明提供一種高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其包括以下步驟：

3、s1、制備原料電極：選取zr、ti、al和v合金并將其焊接成自耗電弧爐的電極作為原料電極并將自耗電弧爐的真空度降低至10-2pa以下；

4、s2、熔煉原料電極：利用自耗電弧爐與銅坩堝對(duì)步驟s1得到的原料電極進(jìn)行熔煉，原料電極熔化后熔融態(tài)合金不斷滴進(jìn)銅坩堝中，在冷卻水的作用下形成鑄錠；之后將所形成的鑄錠再次焊接成自耗電弧爐的電極并作為原料電極進(jìn)行再次熔化，重復(fù)熔煉操作總計(jì)三次，得到熔煉后47zr-45ti-5al-3v合金鑄錠；

5、s3、熱鍛造：將47zr-45ti-5al-3v合金鑄錠放入爐膛加熱到1000-1050℃，進(jìn)行4.5-5.5小時(shí)保溫，利用油壓機(jī)進(jìn)行三墩三拔的開坯鍛造處理，形成所需的鍛造態(tài)棒狀合金；

6、s4、高壓凝固：將步驟s3得到的鍛造態(tài)棒狀合金在六面頂壓機(jī)內(nèi)部進(jìn)行高壓凝固，高壓凝固的壓力為3-6gpa，之后進(jìn)行升溫，保溫的溫度為1500-1600℃。

7、優(yōu)選地，步驟s4中高壓凝固的壓力為3gpa，保溫的溫度為1600℃。

8、優(yōu)選地，步驟s4中的高壓凝固溫度與壓力通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到。

9、優(yōu)選地，步驟s4中保溫時(shí)間為15min。

10、優(yōu)選地，步驟s1中zr、ti、al和v合金的純度為99％以上，zr、ti、al和v元素的質(zhì)量比為47：45：5：3。

11、優(yōu)選地，步驟s3中，三墩三拔的開坯鍛造處理的具體過(guò)程為：敦粗30％后拔長(zhǎng)30％，重復(fù)上述過(guò)程三次。

12、優(yōu)選地，步驟s3中，每次操作完成后均需去除合金鑄錠表面形成的氧化層。

13、優(yōu)選地，步驟s3中每次開坯鍛造均需使鑄錠變形量在60％以上，之后在常溫條件下待其冷卻至常溫。

14、優(yōu)選地，步驟s3中將47zr-45ti-5al-3v合金鑄錠放入爐膛加熱到1050℃，進(jìn)行5小時(shí)保溫。

15、另一方面，本發(fā)明提供一種高硬度耐腐蝕性鋯鈦合金，其包括zr元素、ti元素、al元素和v元素，所述zr元素、ti元素、al元素和v元素的質(zhì)量比為47：45：5：3，所述高硬度耐腐蝕性鋯鈦合金通過(guò)上述制備方法進(jìn)行制備。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

17、(1)本發(fā)明制備得到的高硬度鋯鈦合金的硬度為462.4-859.08hv，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通合金，且通過(guò)最優(yōu)的高壓凝固溫度和壓力能夠使鋯鈦合金的硬度達(dá)到800hv以上，且耐腐蝕性大大提高，從本發(fā)明的實(shí)施例中可以看出，本發(fā)明提供的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的硬度最高可達(dá)到859hv，是初始合金的2.26倍，耐腐蝕性相較于未處理的合金也具有顯著的提升，具有高硬度高耐腐蝕性的優(yōu)異性能，可以應(yīng)用于航空等多個(gè)領(lǐng)域。

18、(2)本發(fā)明的方法以47zr-45t?i-5al-3v合金為材料，通過(guò)高壓凝固的方法對(duì)其進(jìn)行處理，高壓凝固使得合金的晶粒變小，并有可能得到納米級(jí)的孿晶。同時(shí)高壓凝固技術(shù)可以有效地縮短原子間距，導(dǎo)致電子軌道的變形，從而在微觀尺度上改變電子結(jié)構(gòu)和原子或分子之間的相互關(guān)系，此外高壓技術(shù)還能增加原子的擴(kuò)散激活能，降低擴(kuò)散速率，促進(jìn)形核，降低原子擴(kuò)散系數(shù)和抑制晶粒長(zhǎng)大。與傳統(tǒng)鑄造方法相比，通過(guò)高壓凝固獲得的樣品省去了鑄造后需要軋制或者鍛造的手段，來(lái)消除合金生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松縮孔等缺陷。通過(guò)本發(fā)明的制備方法制備的鋯鈦合金具有高硬度和耐腐蝕的優(yōu)良性能。

技術(shù)特征：

1.一種高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其特征在于：其包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其特征在于：步驟s4中高壓凝固的壓力為3gpa，保溫的溫度為1600℃。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其特征在于：步驟s4中的高壓凝固溫度與壓力通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其特征在于：步驟s4中保溫時(shí)間為15min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其特征在于：步驟s1中zr、ti、al和v合金的純度為99％以上，zr、ti、al和v元素的質(zhì)量比為47：45：5：3。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其特征在于：步驟s3中，三墩三拔的開坯鍛造處理的具體過(guò)程為：敦粗30％后拔長(zhǎng)30％，重復(fù)上述過(guò)程三次。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其特征在于：步驟s3中，每次操作完成后均需去除合金鑄錠表面形成的氧化層。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其特征在于：步驟s3中每次開坯鍛造均需使鑄錠變形量在60％以上，之后在常溫條件下待其冷卻至常溫。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法，其特征在于：步驟s3中將47zr-45ti-5al-3v合金鑄錠放入爐膛加熱到1050℃，進(jìn)行5小時(shí)保溫。

10.一種利用權(quán)利要求1所述的高硬度耐腐蝕鋯鈦合金的制備方法制備的高硬度耐腐蝕性鋯鈦合金，其特征在于：其包括zr元素、ti元素、al元素和v元素，所述zr元素、ti元素、al元素和v元素的質(zhì)量比為47：45：5：3，所述高硬度耐腐蝕性鋯鈦合金通過(guò)上述制備方法進(jìn)行制備。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種高硬度耐腐蝕鋯鈦合金及其制備方法，涉及合金材料技術(shù)領(lǐng)域，合金為Zr、Ti、Al和V合金，Zr、Ti、Al和V元素的質(zhì)量比為47：45：5：3。制備方法包括以下步驟：S1、利用合金原料制備原料電極；S2、熔煉原料電極；S3、熱鍛造得到鍛造態(tài)棒狀合金；S4、在一定溫度和壓力下對(duì)合金進(jìn)行高壓凝固。通過(guò)發(fā)明的制備方法制備得到的高硬度鋯鈦合金的普遍硬度為462.4?859.08HV，通過(guò)最優(yōu)制備條件得到的合金硬度為800HV以上，且耐腐蝕性大大提高，具有高硬度高耐腐蝕性的優(yōu)異性能。

技術(shù)研發(fā)人員：張新宇,公錦州,陳濤,張俊松,劉日平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19