一種多級結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金及制備方法
【專利摘要】一種多級結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金，其是以質(zhì)量百分比為：Ti38～42、Zr50～54、Al5、V3的鈦鋯基合金為基體獲得的由微米級初生的αp大晶粒、亞微米級的α板條、納米級針狀的α″馬氏體以及殘余的β基體所組成的具有多相多級結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金。該合金的制備方法：將各種原料放入非自耗電弧爐，熔煉得到合金鑄錠；在其表面涂覆高溫抗氧化劑后在爐中加熱保溫后開坯鍛造，獲得板狀合金；加熱后水淬冷卻；將合金板切割成薄板進(jìn)行室溫軋制變形；再于真空中進(jìn)行退火處理；然后進(jìn)行兩步時(shí)效處理。本發(fā)明的合金在保持合金塑性的同時(shí)，有效地提高了合金的強(qiáng)度。
【專利說明】一種多級結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種合金材料及制備方法，特別是鈦鋯基合金及制備方法。 技術(shù)背景
[0002] 鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕性好等優(yōu)良特性，是航空航天飛行器的重要結(jié) 構(gòu)材料。目前廣泛使用的Ti6A14V鈦合金，其抗拉強(qiáng)度為900?1 lOOMPa，失效延伸率為8? 12%。TiZrAlV合金是在Ti6A14V合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型合金材料，鋯元素的引入 有效的提高了材料的強(qiáng)度和硬度，使TiZrAlV合金成為一種非常有潛力的航空航天飛行器 的候選材料。但是，目前報(bào)道的TiZrAlV的抗拉強(qiáng)度僅為1100?1292MPa，失效延伸率為 6. 3?10%。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，未來航空航天領(lǐng)域中使用的鈦合金材料的強(qiáng)度應(yīng) 該 >1500MPa。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種能滿足航空航天領(lǐng)域飛行器發(fā)展需要的多級結(jié)構(gòu)高 強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金及其制備方法。
[0004] 本發(fā)明的一種多級結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金，其是以質(zhì)量百分比為：Ti38? 42、Zr50?54、A15、V3的鈦鋯基合金為基體獲得的由微米級初生的α p大晶粒、亞微米級 的α板條、納米級針狀的α "馬氏體以及殘余的β基體所組成的具有多級結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度 高塑性鈦鋯基合金。
[0005] 本發(fā)明的制備方法主要是將TixZr92_xAl 5V3(Wt% )合金，通過室溫軋制變形、熱退 火與兩步時(shí)效處理工藝相結(jié)合，獲得一種高強(qiáng)度、高塑性的鈦鋯基合金。
[0006] 上述鈦鋯基合金的制備方法具體如下：
[0007] 1、將鈦、鋯、鋁、釩等各種原料放入非自耗電弧爐，熔煉溫度>200(TC，熔煉三次， 每次的時(shí)間為10?50分鐘，得到成分均勻的Ti xZr92_xAl5V3合金鑄錠。
[0008] 2、將步驟1得到的合金鑄錠表面涂覆高溫抗氧化劑，然后在箱式加熱爐中加熱至 1025?1105°C，保溫1?3小時(shí)后進(jìn)行開坯鍛造，經(jīng)過2次鐓拔后，使用大功率軋機(jī)對其進(jìn) 行軋制，變形量達(dá)到80 %以上，最后獲得板狀合金。待板狀合金冷卻，再進(jìn)行合金表面修整， 去除表面的抗氧化劑。
[0009] 3、將步驟2所得去除表面的抗氧化劑的板狀合金置于電阻箱式熱處理爐加熱至 850?870°C，保溫1小時(shí)，然后水淬冷卻。該步工藝的目的是通過固溶水淬，獲得較多的高 溫β相，提高合金的室溫變形能力。
[0010] 4、將步驟3所得合金板利用線切割成厚度為3?4_的薄板，然后進(jìn)行室溫軋制 變形。軋制應(yīng)變速率為1.5?2. 2s'最好單道次下壓量為1?2%，總變形量為90%以上， 總應(yīng)變量為2. 66以上。
[0011] 5、將步驟4所得室溫軋制變形的合金板置于高真空熱退火爐中進(jìn)行退火處理，真 空度為1(Γ4?l(T5Pa，溫度為665-685°C，保溫lOmin后空冷至室溫；然后進(jìn)行兩步時(shí)效處 理，即先在625°C時(shí)效1· 5?2h，隨后再在300°C時(shí)效1?4h空冷至室溫。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0013] 本發(fā)明利用室溫變形結(jié)合熱退火來調(diào)控合金的性能與微結(jié)構(gòu)，而非通常采用的熱 變形技術(shù)。與傳統(tǒng)熱變形技術(shù)所得到的單級板條結(jié)構(gòu)鈦合金相比，本發(fā)明由于采用室溫變 形結(jié)合熱退火制備出了具有多級結(jié)構(gòu)的鈦鋯合金。與傳統(tǒng)熱變形技術(shù)所得到的TiZrAlV合 金力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度為1100?1292MPa，失效延伸率在6. 3?10% )相比，本發(fā)明所獲 得的TiZr基合金的強(qiáng)度提高了?200MPa的同時(shí)，保持了相當(dāng)大小的失效延伸率。
[0014] 本發(fā)明在保持合金塑性的同時(shí)，有效的提高了合金的強(qiáng)度，能夠滿足未來航空航 天領(lǐng)域?qū)τ?500MPa級高強(qiáng)度鈦合金的強(qiáng)度和塑性的要求。
[0015] 本發(fā)明獲得的鈦鋯合金的室溫拉伸測試在Instron5948力學(xué)性能測試系統(tǒng)上進(jìn) 行，本發(fā)明獲得的鈦鋯合金的力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度> 1500MPa，屈服強(qiáng)度> 1400MPa，失效 延伸率彡7%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中所得Ti4(l.2Zr51. 8Al5V3合金透射電鏡照片圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 實(shí)施例1
[0018] 將鈦、鋯、鋁及釩等各種原料放入非自耗電弧爐，熔煉溫度>200(TC，熔煉三次，每 次的時(shí)間為45分鐘，得到成分均勻的Ti 4a2Zr51.8Al5V3合金鑄錠。將上述合金鑄錠表面涂 覆高溫抗氧化劑（鈦合金高溫鍛造抗氧化劑保護(hù)涂料，上海潤爾金屬表面材料有限公司生 產(chǎn)），然后在箱式加熱爐中加熱至KKKTC，保溫2. 5小時(shí)后進(jìn)行開坯鍛造，經(jīng)過2次鐓拔后， 使用大功率軋機(jī)對其進(jìn)行軋制，變形量達(dá)到80%，最后獲得板狀Ti4a2Zr 51.8Al5V3合金。待 合金錠冷卻，再進(jìn)行合金錠表面修整，去除表面的抗氧化劑。將去除表面抗氧化劑的板狀合 金置于電阻箱式熱處理爐加熱至865°C，保溫1小時(shí)，然后使用水淬冷卻樣品。將水淬冷卻 后所得合金板利用線切割取樣，得到厚度為4mm后的薄板，然后進(jìn)行室溫軋制變形。軋制應(yīng) 變速率為2. 2s_S單道次下壓量為2%，總變形量為90%，總應(yīng)變量為2. 66。將上面所得室 溫軋制變形合金板樣品置于高真空熱退火爐（真空度優(yōu)于l〇_4Pa)中進(jìn)行退火處理，溫度為 675°C，保溫10分鐘，然后空冷至室溫，冷卻速率3°C /分鐘。之后對退火樣品進(jìn)行兩步時(shí)效 處理，即先在625°C時(shí)效2小時(shí)，再在300°C時(shí)效1. 5小時(shí)后空冷至室溫。
[0019] 用JE0L2010透射電子顯微鏡對樣品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，經(jīng)過上述方法所制備 的Ti^Zr^AluVu的鈦锫基合金是：由微米級初生的α ρ大晶粒、亞微米級的α板 條、納米級針狀的α "馬氏體以及殘余的β基體所組成的多相多級結(jié)構(gòu)。室溫拉伸測 試在Instron5948力學(xué)性能測試系統(tǒng)上進(jìn)行。拉伸樣品的標(biāo)距尺寸為長X寬X高= 5 X 2 X 0· 35mm3,樣品全長為22mm，拉伸應(yīng)變速率為：1 X ΚΤΥ1，測試過程中利用視頻引伸計(jì) 測試樣品標(biāo)距的長度變化。樣品的力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度為1550MPa，屈服強(qiáng)度為1430MPa， 失效延伸率為8.0%。
[0020] 實(shí)施例2
[0021] 將鈦、鋯、鋁及釩等各種原料放入非自耗電弧爐，熔煉溫度>200(TC，熔煉三次，每 次的時(shí)間為30分鐘，得到成分均勻的Ti39.2?.9A15V 3合金鑄錠。將上述合金鑄錠表面涂 覆高溫抗氧化劑（鈦合金高溫鍛造抗氧化劑保護(hù)涂料，上海潤爾金屬表面材料有限公司生 產(chǎn)），然后在箱式加熱爐中加熱至1KKTC，保溫3小時(shí)后進(jìn)行開坯鍛造，經(jīng)過2次鐓拔后，使 用大功率軋機(jī)對其進(jìn)行軋制，變形量達(dá)到85%，最后獲得板狀Ti 39. 合金。待合金 錠冷卻，在進(jìn)行合金錠表面修整，去除表面的抗氧化劑。將去除表面氧化劑的板狀合金置于 電阻箱式熱處理爐加熱至850°C，保溫1小時(shí)，然后使用水淬冷卻樣品。將水淬冷卻后所得 合金板利用線切割取樣，得到厚度為3mm后的薄板，然后進(jìn)行室溫軋制變形。軋制應(yīng)變速率 為1. 5s'單道次下壓量為1. 5%，總變形量為93%，總應(yīng)變量為3. 1。將上面所得室溫軋制 變形合金板樣品置于高真空熱退火爐（真空度優(yōu)于l〇_5Pa)中進(jìn)行退火處理，溫度為685°C， 保溫10分鐘。然后空冷至室溫，之后對退火樣品進(jìn)行兩步時(shí)效處理，即先在625°C時(shí)效1. 5 小時(shí)，再在300°C時(shí)效3小時(shí)后空冷至室溫。
[0022] 用JE0L2010透射電子顯微鏡對樣品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。經(jīng)過上述方法所制 備的的鈦鋯基合金是：由微米級初生的α ρ大晶粒、亞微米級的α板 條、納米級針狀的α "馬氏體以及殘余的β基體所組成的多相多級結(jié)構(gòu)。室溫拉伸測 試在Instron5948力學(xué)性能測試系統(tǒng)上進(jìn)行。拉伸樣品的標(biāo)距尺寸為長X寬X高= 5 X 2 X 0· 35mm3,樣品全長為22mm，拉伸應(yīng)變速率為：1 X ΚΤΥ1，測試過程中利用視頻引伸計(jì) 測試樣品標(biāo)距的長度變化。樣品的力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度為1570MPa，屈服強(qiáng)度為1440MPa， 失效延伸率為7.0%。
[0023] 表1為本專利TixZr92_xAl 5V3與文獻(xiàn)報(bào)道鈦合金力學(xué)性能對比表
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 一種多級結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金，其特征在于：其是以質(zhì)量百分比為： Ti38?42、Zr50?54、A15、V3的鈦鋯基合金為基體獲得的由微米級初生的α p大晶粒、亞 微米級的α板條、納米級針狀的α "馬氏體以及殘余的β基體所組成的具有多相多級結(jié) 構(gòu)的高強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金。
2. 權(quán)利要求1的一種多級結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金的制備方法，其所用鈦鋯基合 金成分的質(zhì)量百分比為：!138?42、2沾0?54315、￥3，其特征在于 ：其制備方法如下： (1) 將鈦、鋯、鋁、釩各種原料放入非自耗電弧爐，熔煉溫度>2000°C，熔煉三次，每次的 時(shí)間為10-50分鐘，得到成分均勻的Ti xZr92_xAl5V3合金鑄錠； (2) 將步驟1得到的合金鑄錠表面涂覆高溫抗氧化劑，然后在箱式加熱爐中加熱至 1025?1105°C，保溫1?3小時(shí)后進(jìn)行開坯鍛造，經(jīng)過2次鐓拔后，使用大功率軋機(jī)對其進(jìn) 行軋制，變形量達(dá)到80%以上，最后獲得板狀合金，待板狀合金冷卻，再進(jìn)行合金表面修整， 去除表面的抗氧化劑； (3) 將步驟2所得去除表面的抗氧化劑的板狀合金置于電阻箱式熱處理爐加熱至 850?870°C，保溫1小時(shí)，然后水淬冷卻； (4) 將步驟3所得合金板利用線切割成厚度為3?4mm的薄板，然后進(jìn)行室溫軋制變 形，乳制應(yīng)變速率為1. 5?2. 2s_\總變形量為90%以上，總應(yīng)變量為2. 66以上； (5) 將步驟4所得室溫軋制變形的合金板置于高真空熱退火爐中進(jìn)行退火處理，真空 度為ΚΓ4?l(T5Pa，溫度為665-685°C，保溫10分鐘后空冷至室溫；然后對退火樣品進(jìn)行兩 步時(shí)效處理，即先在625°C時(shí)效1. 5?2h，隨后再在300°C時(shí)效1?4h空冷至室溫。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多級結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度高塑性鈦鋯基合金的制備方法，其特征 在于：室溫軋制變形單道次下壓量為1?2%。
【文檔編號】C22F1/18GK104046846SQ201410312161
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】張湘義, 石銀東, 李明 申請人:燕山大學(xué)