本發(fā)明屬于鈦合金，具體涉及一種中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鈦合金的密度低、比強(qiáng)度高，具有優(yōu)異的耐蝕性；鈦合金作為一種重要的結(jié)構(gòu)金屬材料，可加工成棒材、板材、箔材、絲材、棒材、鍛件、鑄件等各種半成品，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、化工、醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域。

2、目前常用的低中強(qiáng)高韌鈦合金包括ta2、ta16、ta17、ta18，其強(qiáng)度、沖擊韌性和高溫性能的綜合性能尚不理想。其中，ta2的缺點(diǎn)是強(qiáng)度較低、沖擊韌性較低，經(jīng)退火處理的ta2鍛棒的σb為490mpa，主要用于非承力構(gòu)件；ta16合金含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)2％的al和2.5％的zr合金元素，使用溫度可達(dá)350-400℃，但室溫強(qiáng)度和室溫沖擊韌性較低，σb≥470mpa，室溫沖擊韌性為100kj/m2；將ta16合金中的al質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到3％，釩元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％，則得到ta18合金，ta18的力學(xué)性能相比ta16有較大的提升，其σb≥620mpa，同時(shí)ta18的沖擊韌性≥500kj/m2，但ta18使用溫度在315℃以下，當(dāng)使用溫度為300℃時(shí)，其σb為503mpa，若要使ta18達(dá)到高強(qiáng)度，需要加工硬化，加工工藝復(fù)雜，成本較高，且加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)影響使用性能；ta17鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％，釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％，室溫力學(xué)性能與ta18相差較小，沖擊韌性較ta18更高，其沖擊韌性≥690kj/m2，使用溫度與ta18一樣都在300℃左右。由此可知，提高鈦合金的鋁、釩含量能提高合金的沖擊韌性，但若一味的提高鋁、釩含量并不能獲得好的沖擊性能，例如tc4合金將鋁含量提高到6％，釩含量提高到4％，其強(qiáng)度有較大提升但沖擊韌性降低到400kj/m2。

3、隨著行業(yè)的發(fā)展，以及人類對(duì)航空航天、深海遠(yuǎn)海等領(lǐng)域的不斷探索，對(duì)上述領(lǐng)域裝備的研發(fā)提出了更高的要求，目前使用的中高強(qiáng)鈦合金的最高使用溫度較低，難以在400℃的高溫環(huán)境下保持較好的力學(xué)性能，無(wú)法滿足復(fù)雜環(huán)境下對(duì)材料性能的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、至少針對(duì)背景技術(shù)中提到的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金及其制備方法。

2、本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金，按照合金元素組分質(zhì)量百分比，由以下組分組成，ti：91.39-95％，al：3.7-4.2％，v：1.7-2.3％，zr：≤0.3％，fe≤0.25％，c≤0.1％，si≤0.12％，n≤0.04％，o≤0.15％，h≤0.006％，其余雜質(zhì)的總含量≤0.3％。

4、本發(fā)明的技術(shù)原理：

5、鋁作為α穩(wěn)定元素，起固溶強(qiáng)化作用，提高合金的強(qiáng)度和耐熱性，由于鋁含量過(guò)大容易引起材料韌性惡化，故將鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3.7-4.2％；釩是β穩(wěn)定元素，是鈦合金中既能提高強(qiáng)度，又能改善塑性的少數(shù)合金元素之一，釩能減小α鈦晶格c/a軸的比值，從而提高α相的塑性變形能力，此外，釩還能抑制α2超結(jié)構(gòu)相的形成，避免在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中出現(xiàn)合金脆化，由于釩在α相中的溶解度最高為2％，故將釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.7-2.3％；鋯與鈦性質(zhì)相似，作為中性元素，能與鈦無(wú)限固溶，起固溶強(qiáng)化作用，尤其是強(qiáng)化高溫性能，少量鋯還可以細(xì)化晶粒和凈化晶界，與雜質(zhì)元素形成化合物，降低晶界附近的雜質(zhì)元素含量，提高合金的沖擊韌性，且鋯元素對(duì)沖擊韌性的貢獻(xiàn)大于鋁元素，但鋯含量過(guò)高會(huì)提高合金的密度，對(duì)合金的性能提升也沒(méi)有太大作用，因此將鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在不大于0.3％綜合效果最好；雜質(zhì)元素氧、氮、碳、鐵、硅等少量即可提高鈦合金的強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致塑性的大量損失，對(duì)鈦合金的一些其他重要性能，如熱穩(wěn)定性、蠕變抗力和缺口敏感性存在許多不利的影響，晶界附近的雜質(zhì)元素容易使合金的沖擊韌性降低，因此需要嚴(yán)格控制其含量；氫會(huì)與鈦形成氫化物相，作為有害元素也必須進(jìn)行嚴(yán)格限制。

6、本發(fā)明中，al：4.1±0.02％，v：2±0.05％，zr：0.25±0.05％，fe：0.2±0.02％，c：0.06±0.02％，si：0.1±0.01％，n：0.02±0.01％，o：0.13±0.01％，h：0.002±0.001％。

7、本發(fā)明中，一種前述中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金的棒材制備方法，包括以下步驟：

8、步驟1，將所述組分的原料進(jìn)行電極壓制，并經(jīng)真空自耗電弧爐熔煉，得到鈦合金鑄錠；

9、步驟2，將所得鈦合金鑄錠在相變溫度以上100-150℃進(jìn)行墩拔、自由鍛，得到坯料一；

10、步驟3，將所得坯料一在相變溫度以下30-50℃進(jìn)行鍛造、墩拔，得到坯料二；

11、步驟4，將所得坯料二在相變溫度以下進(jìn)行鍛造，得到不大于φ200mm的鈦合金棒材；

12、步驟5，將所得鈦合金棒材進(jìn)行退火處理，得到高沖擊韌性的近α型鈦合金棒材。

13、本發(fā)明中，所述步驟4包括將所得坯料二在相變溫度以下30-50℃進(jìn)行墩拔、鍛造，得到φ200mm的鈦合金棒材。

14、本發(fā)明中，所述步驟4還包括將所得φ200mm的鈦合金棒材在相變溫度以下30-50℃進(jìn)行精密鍛造，得到φ100mm的鈦合金棒材。

15、本發(fā)明中，步驟4還包括將所得的φ100mm的鈦合金棒材進(jìn)行冷鍛，得到φ60mm的鈦合金棒材。

16、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的鈦合金材料的成分、加工工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，并且在保持較好的加工塑性的同時(shí)，大幅提高了合金的強(qiáng)度和沖擊韌性，在高溫條件下(環(huán)境溫度大于400℃)仍能夠保持較好的力學(xué)性能，還具有優(yōu)異的加工和焊接性能，可適用于各種焊接方法，熔化焊接頭的強(qiáng)度和延伸率大致接近基體金屬，使用場(chǎng)景廣闊。

技術(shù)特征：

1.一種中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金，其特征在于：按照合金元素組分質(zhì)量百分比，由以下組分組成，ti：91.39-95%，al：3.7-4.2%，v：1.7-2.3%，zr：≤0.3%，fe≤0.25%，c≤0.1%，si≤0.12%，n≤0.04%，o≤0.15%，h≤0.006%，其余雜質(zhì)的總含量≤0.3%。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金，其特征在于：al：4.1±0.02%，v：2±0.05%，zr：0.25±0.05%，fe：0.2±0.02%，c：0.06±0.02%，si：0.1±0.01%，n：0.02±0.01%，o：0.13±0.01%，h：0.002±0.001%。

3.一種如權(quán)利要求1或2所述的中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金的棒材制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金的棒材制備方法，其特征在于：所述步驟4包括將所得坯料二在相變溫度以下30-50℃進(jìn)行墩拔、鍛造，得到φ200mm的鈦合金棒材。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金的棒材制備方法，其特征在于：所述步驟4還包括將所得φ200mm的鈦合金棒材在相變溫度以下30-50℃進(jìn)行精密鍛造，得到φ100mm的鈦合金棒材。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金的棒材制備方法，其特征在于：步驟4還包括將所得的φ100mm的鈦合金棒材進(jìn)行冷鍛，得到φ60mm的鈦合金棒材。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于鈦合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金及其制備方法，該中等強(qiáng)度高沖擊韌性鈦合金按照合金元素組分質(zhì)量百分比，由以下組分組成，Ti：91.39?95%，Al：3.7?4.2%，V：1.7?2.3%，Zr：≤0.3%，F(xiàn)e≤0.25%，C≤0.1%，Si≤0.12%，N≤0.04%，O≤0.15%，H≤0.006%，其余雜質(zhì)的總含量≤0.3%；該種鈦合金材料的成分、加工工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，并且在保持較好的加工塑性的同時(shí)，大幅提高了合金的強(qiáng)度和沖擊韌性，在高溫條件下（環(huán)境溫度大于400℃）仍能夠保持較好的力學(xué)性能，在航空航天、深海遠(yuǎn)海等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

技術(shù)研發(fā)人員：劉和平,謝乘風(fēng),朱春麗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶豐利鈦新材料科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19