本發(fā)明涉及一種鈦合金及其型材制備方法，特別是涉及一種低釩低鉬、超低釩超低鉬或無釩無鉬的多相態(tài)鈦合金及其型材制備方法，應(yīng)用于低成本鈦合金材料制備
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：金屬鈦?zhàn)鳛楣こ滩牧弦仓徊贿^50多年的歷史，但是鈦及鈦合金以其優(yōu)異的性能在航空航天、航海、石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)發(fā)揮著重要作用：如鈦鎳合金因其形狀記憶功能，可用于衛(wèi)星和飛船的天線、宇航系統(tǒng)的油管密封和其它自控裝置；鈦鐵、鈦鎂合金具有優(yōu)異的儲氫性能，是理想的儲氫材料。多年以來，世界上許多國家逐漸認(rèn)識到了鈦及鈦合金的重要性，并對其進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)。但是，當(dāng)前鈦合金牌號多含有高成本的合金化金屬如mo、v等，使得鈦合金成本居高不下。而通過廉價(jià)的合金化金屬fe、cr、mn等元素代替昂貴的元素mo、v等來開發(fā)新型鈦合金，具有很好的應(yīng)用前景。近年來，國內(nèi)外已有許多對于這方面的研究報(bào)道。例如日本的b.guawarman等人為探索新型的醫(yī)用輪椅材料研究了ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金，在合金中使用了廉價(jià)的fe和cr合金化元素，相比純鈦性能提高而成本大大降低，合金經(jīng)過一定熱處理后加工率可達(dá)90%以上，并具備很好的韌性。但合金中元素fe在宏觀組織中具有很大的偏析傾向，宏觀偏析使宏觀組織有較大的變化，這大大增加了該合金機(jī)械性能數(shù)據(jù)的分散性，且這種宏觀偏析通過后期熱處理或塑性加工無法消除，對合金性能產(chǎn)生不利影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金及其板材和棒材的制備方法，使用了廉價(jià)的合金元素fe、cr、zr作為鈦合金的強(qiáng)化元素，克服了ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金的宏觀偏析問題，本發(fā)明α+β鈦合金的室溫強(qiáng)度不低于1000mpa，利用本發(fā)明可以進(jìn)一步擴(kuò)大混合相鈦合金的使用范圍。為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：一種含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金，其組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：3.0-4.5wt%的鋁、0.3-2.0wt%的鐵、3.0-5.0wt%的鉻、1.0-2.0wt%的鋯，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，其組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：3.99-4.11wt%的鋁、0.79-0.81wt%的鐵、3.89-4.02wt%的鉻、1.47-1.57wt%的鋯、0-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氫，余量為鈦。作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，其組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：4.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、4.0wt%的鉻、1.5wt%的鋯、0.04-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氫，余量為鈦。一種含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金的板材制備方法，將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：3.0-4.5wt%的鋁、0.3-2.0wt%的鐵、3.0-5.0wt%的鉻、1.0-2.0wt%的鋯，其余原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料置入箱式電阻爐中，在箱式電阻爐中，對各原料組分材料進(jìn)行預(yù)處理，在120-150℃的預(yù)處理溫度下保溫10-12h，然后再將各原料組分材料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉3-5次制成鑄錠，再將所得鑄錠加熱到830-870℃，在橫列式軋機(jī)上將鑄錠軋制成厚度為6-8mm的α+β鈦合金板材。優(yōu)選采用真空退火的熱處理方式對所制備的α+β鈦合金板材進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為580-600℃，保溫時(shí)間為1.5-2.5h，冷卻方式為空冷。一種含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金的棒材制備方法，將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：3.0-4.5wt%的鋁、0.3-2.0wt%的鐵、3.0-5.0wt%的鉻、1.0-2.0wt%的鋯，其余原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料混合后采用擠壓法制成電極塊，然后在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空電極，然后通過3-5次真空自耗電極電弧熔煉制成鑄錠，鑄錠在1050-1150℃溫度下經(jīng)過開坯鍛造成直徑φ40-50mm的軋制棒坯，然后棒坯加熱到830-870℃，在橫列式軋機(jī)上軋制成直徑φ18-20mm的α+β鈦合金棒材。優(yōu)選采用真空退火的熱處理方式對所制備的α+β鈦合金棒材進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為580-600℃，保溫時(shí)間為1.5-2.5h，冷卻方式為空冷。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：1.本發(fā)明制備的α+β鈦合金含有fe、cr、zr合金元素，代替?zhèn)鹘y(tǒng)含鉬和釩的鈦合金，成本顯著降低，適用于更多對材料成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，本發(fā)明α+β鈦合金的室溫強(qiáng)度高于1000mpa，力學(xué)性能與傳統(tǒng)鈦合金ti-6al-4v相當(dāng)，但成本相比ti-6al-4v顯著降低，提高了性價(jià)比，利用本發(fā)明α+β鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大α+β鈦合金的使用范圍，對鈦合金市場的拓展具有重要意義。2.本發(fā)明制備的α+β鈦合金退火后為α+β相雙態(tài)組織，其屈服強(qiáng)度比ti-6al-1.7fe-0.1si(timetal62s)更高，本發(fā)明制備的α+β鈦合金克服了ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金的宏觀偏析問題，能通過控制凝固過程形成均勻化的組織。具體實(shí)施方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下：實(shí)施例一：在本實(shí)施例中，一種含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金，其合金組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：3.99wt%的鋁、0.79wt%的鐵、4.02wt%的鉻、1.47wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。本實(shí)施例含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金的板材制備方法，首先將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：3.99wt%的鋁、0.79wt%的鐵、4.02wt%的鉻、1.47wt%的鋯，其余原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料置入箱式電阻爐中，在箱式電阻爐中，對各原料組分材料進(jìn)行預(yù)處理，在150℃的預(yù)處理溫度下保溫12h，然后再將各原料組分材料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉4次制成鑄錠，再將所得鑄錠加熱到850℃，在橫列式軋機(jī)上將鑄錠軋制成厚度為6-8mm的α+β鈦合金板材；然后采用真空退火的熱處理方式對所制備的α+β鈦合金板材按表2的熱處理制度進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為600℃，保溫時(shí)間為2h，冷卻方式為空冷，最終制成α+β鈦合金板材的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其合金組分含量見表1。然后參照gb/t228.1-2010，對α+β鈦合金板材的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行室溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測試，其力學(xué)性能測量結(jié)果見表2。表1.在實(shí)施例一中制備的α+β鈦合金材料的成分含量表化學(xué)元素alfecrzronchti含量（wt%）3.990.794.021.470.050.0010.0010.001余量表2.在實(shí)施例一中制備的α+β鈦合金材料板材的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果本實(shí)施例制備的α+β鈦合金板材的室溫抗拉強(qiáng)度大于1000mpa，力學(xué)性能與傳統(tǒng)鈦合金ti-6al-4v相當(dāng)，由于不含貴金屬釩，成本相比ti-6al-4v顯著降低，并且fe含量和cr含量顯著低于ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金，克服了ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金的宏觀偏析問題，利用本實(shí)施例制備的α+β鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大α+β鈦合金的使用范圍。實(shí)施例二：本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于：在本實(shí)施例中，一種含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金，其合金組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：4.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、4.0wt%的鉻、1.5wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。本實(shí)施例含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金的板材制備方法，首先將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：4.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、4.0wt%的鉻、1.5wt%的鋯，其余原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料置入箱式電阻爐中，在箱式電阻爐中，對各原料組分材料進(jìn)行預(yù)處理，在150℃的預(yù)處理溫度下保溫12h，然后再將各原料組分材料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉4次制成鑄錠，再將所得鑄錠加熱到850℃，在橫列式軋機(jī)上將鑄錠軋制成厚度為6-8mm的α+β鈦合金板材；然后采用真空退火的熱處理方式對所制備的α+β鈦合金板材按表4的熱處理制度進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為600℃，保溫時(shí)間為2h，冷卻方式為空冷，最終制成α+β鈦合金板材的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其合金組分含量見表3。然后參照gb/t228.1-2010，對α+β鈦合金板材的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行室溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測試，其力學(xué)性能測量結(jié)果見表4。表3.在實(shí)施例二中制備的α+β鈦合金材料的成分含量表化學(xué)元素alfecrzronchti含量（wt%）4.00.84.01.50.050.0010.0010.001余量表4.在實(shí)施例二中制備的α+β鈦合金材料板材的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果本實(shí)施例制備的α+β鈦合金板材的室溫抗拉強(qiáng)度大于1000mpa，力學(xué)性能與傳統(tǒng)鈦合金ti-6al-4v相當(dāng)，由于不含貴金屬釩，成本相比ti-6al-4v顯著降低，并且fe含量和cr含量顯著低于ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金，克服了ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金的宏觀偏析問題，利用本實(shí)施例制備的α+β鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大α+β鈦合金的使用范圍。實(shí)施例三：本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于：在本實(shí)施例中，一種含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金，其合金組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：4.11wt%的鋁、0.81wt%的鐵、3.89wt%的鉻、1.57wt%的鋯、0.04wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。實(shí)施例含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金的棒材制備方法，其特征在于，將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：4.11wt%的鋁、0.81wt%的鐵、3.89wt%的鉻、1.57wt%的鋯，其余原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料混合后采用擠壓法制成電極塊，然后在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空電極，然后通過4次真空自耗電極電弧熔煉制成鑄錠，鑄錠在1100℃溫度下經(jīng)過開坯鍛造成直徑為φ45mm的軋制棒坯，然后棒坯加熱到850℃，在橫列式軋機(jī)上軋制成直徑為φ20mm的α+β鈦合金棒材；然后采用真空退火的熱處理方式對所制備的α+β鈦合金棒材按表6的熱處理制度進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為600℃，保溫時(shí)間為2h，冷卻方式為空冷，最終制成α+β鈦合金棒材的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其合金組分含量見表5。然后參照gb/t228.1-2010，對α+β鈦合金棒材的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行室溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測試，其力學(xué)性能測量結(jié)果見表6。表5.在實(shí)施例三中制備的α+β鈦合金材料的成分含量表化學(xué)元素alfecrzronchti含量（wt%）4.110.813.891.570.040.0010.0010.001余量表6.在實(shí)施例三中制備的α+β鈦合金材料棒材的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果本實(shí)施例制備的α+β鈦合金板材的室溫抗拉強(qiáng)度大于1000mpa，力學(xué)性能與傳統(tǒng)鈦合金ti-6al-4v相當(dāng)，由于不含貴金屬釩，成本相比ti-6al-4v顯著降低，并且fe含量和cr含量顯著低于ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金，克服了ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金的宏觀偏析問題，利用本實(shí)施例制備的α+β鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大α+β鈦合金的使用范圍。實(shí)施例四：本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于：在本實(shí)施例中，一種含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金，其合金組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：4.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、4.0wt%的鉻、1.5wt%的鋯、0.04wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。實(shí)施例含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金的棒材制備方法，其特征在于，將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：4.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、4.0wt%的鉻、1.5wt%的鋯，其余原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料混合后采用擠壓法制成電極塊，然后在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空電極，然后通過3-4次真空自耗電極電弧熔煉制成鑄錠，鑄錠在1100℃溫度下經(jīng)過開坯鍛造成直徑為φ45mm的軋制棒坯，然后棒坯加熱到850℃，在橫列式軋機(jī)上軋制成直徑為φ20mm的α+β鈦合金棒材；然后采用真空退火的熱處理方式對所制備的α+β鈦合金棒材按表8的熱處理制度進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為600℃，保溫時(shí)間為2h，冷卻方式為空冷，最終制成α+β鈦合金棒材的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其合金組分含量見表7。然后參照gb/t228.1-2010，對α+β鈦合金棒材的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行室溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測試，其力學(xué)性能測量結(jié)果見表8。表7.在實(shí)施例四中制備的α+β鈦合金材料的成分含量表化學(xué)元素alfecrzronchti含量（wt%）4.00.84.01.50.040.0010.0010.001余量表8.在實(shí)施例四中制備的α+β鈦合金材料棒材的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果本實(shí)施例制備的α+β鈦合金板材的室溫抗拉強(qiáng)度大于1000mpa，力學(xué)性能與傳統(tǒng)鈦合金ti-6al-4v相當(dāng)，由于不含貴金屬釩，成本相比ti-6al-4v顯著降低，并且fe含量和cr含量顯著低于ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金，克服了ti-4.3fe-7.1cr-3al(tfca)合金的宏觀偏析問題，利用本實(shí)施例制備的α+β鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大α+β鈦合金的使用范圍。上面對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明含fe、cr、zr合金元素的α+β鈦合金及其板材和棒材的制備方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12