一種低成本高強(qiáng)度Ti-Zr-Al-Fe系合金的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料科學(xué)和有色金屬及其合金技術(shù)領(lǐng)域。具體的說(shuō)是涉及一種采用廉 價(jià)元素制備的低成本且具有高強(qiáng)度的Ti-Zr-Al-Fe系合金。
【背景技術(shù)】
[0002] 鈦合金具有諸多優(yōu)異的性能，如低密度、高比強(qiáng)度、抗腐蝕、中溫性能好、無(wú)磁性 等，是一種重要的金屬結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空、航天、賽車(chē)等領(lǐng)域。具體來(lái)講鈦合 金對(duì)國(guó)防、航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域發(fā)展的重要性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①降低航空航 天飛行器的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)；②減輕武器重量、延長(zhǎng)使用壽命；③提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)額推重比； ④提高航空航天飛行器的安全性和可靠性。因此，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、日本等在其先 進(jìn)的軍用航天飛行器、飛機(jī)、導(dǎo)彈、軍艦、兵器等裝備上都大量使用了鈦合金，并有逐步增加 的趨勢(shì)。與我國(guó)同屬發(fā)展中國(guó)家的印度，為了提高其軍事實(shí)力，也在發(fā)展自己的鈦工業(yè)，并 通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的軍事武器和鈦的加工技術(shù)，發(fā)展其軍事用鈦合金。我國(guó)對(duì)鈦工業(yè)的發(fā)展 也非常重視，在近幾十年發(fā)展了一系列高性能的鈦合金，如TB8、TC21、BT25Y等抗拉強(qiáng)度 〇b彡1250MPa的超高強(qiáng)鈦合金；打55、!16336、11533115、11-65恥及1160等高溫鈦合金； Ti-V-Cr系阻燃鈦合金。使鈦合金的應(yīng)用更加廣泛和安全。
[0003] 然而由于鈦合金昂貴的價(jià)格，使得其用量與傳統(tǒng)的鋼鐵、鋁合金等金屬材料相比 要少很多。研宄和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，高性能鈦合金昂貴的合金元素的成本占總成本的40%左右， 而其他的真空熔煉及相關(guān)的加工成本占總成本的60%。因此，用價(jià)格低廉的Fe、Cr、Mn等 元素代替價(jià)格昂貴的V、Nb、Mo等元素制備高強(qiáng)度鈦合金，是降低鈦合金成本的有效途徑。 例如，美國(guó)利用廉價(jià)的金屬Fe作為強(qiáng)化元素制備了Timetal62S(Ti-6Al-1.7Fe-0.ISi) 和TimetalLCB(Ti-4. 5A1-6. 8M〇-l. 5Fe)合金；同樣，日本利用廉價(jià)合金元素制備了 系列低成本鈦合金，如TFC(Ti-4. 3Fe-7.lCr)，TFCA(Ti-4. 3Fe-7.lCr-3. 0A1)，以及 SP700(Ti-4. 5Al-3V-2M〇-2Fe)合金。目前，對(duì)于低成本、高強(qiáng)度高韌性鈦合金的研宄仍然是 鈦合金發(fā)展的重要內(nèi)容和方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是以鈦鋯合金體系為對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)和控制合金體系中價(jià)格低廉的金屬元 素A1和Fe的含量，采用非自耗電弧爐熔煉獲得一種具有成本低強(qiáng)度高的鈦鋯合金體系。
[0005] 發(fā)明目的
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種成本低且具有高強(qiáng)度的鈦鋯系合金結(jié)構(gòu)材料，可以用 如下公式表示：aTi-bZr-cAl-dFe。其中打、21'、41、？6含量（1七％)的變化范圍為：&:45-50; b:45-50;c:4. 0-5. 0;d:0. 25-2. 5,其余為不可避免的原材料中所含雜質(zhì)。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過(guò)如下方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明的合金制備采用非自耗電弧爐熔煉四遍以保證成分均勻，得到 Ti-Zr-Al-Fe系合金錠；在750-850°C保溫5-7min后快速轉(zhuǎn)移到兩棍平面軋機(jī)上進(jìn)行兩道 次軋制變形，第一道次軋制變形后，在以上溫度重新保溫3-5min再進(jìn)行第二道次的變形， 每道次的厚度下壓量為4-5_，最終得到厚度約4_的板狀試樣，合計(jì)軋制最大厚度變形量 為65-75%。在最后一道次軋制后，將試樣快速浸入室溫水中（約20°C)進(jìn)行冷卻，待試樣 完全冷卻后取出。將軋制后的合金試樣表面進(jìn)行扒皮和表面修磨得到Ti-Zr-Al-Fe系合金 樣品。檢測(cè)其力學(xué)性能。本發(fā)明合金的室溫力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度〇b:1200-1500MPa，屈 服強(qiáng)度 〇Q.2:700-1350MPa，斷后延伸率S:7%-15%。
[0009] 室溫單軸拉伸試驗(yàn)在instron5982力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，拉伸速率為： 5X1(T4s'并用引伸計(jì)全程跟蹤測(cè)量試樣在拉伸過(guò)程中的長(zhǎng)度變化。
[0010] 本發(fā)明的合金選用的組成元素都是價(jià)格低廉，對(duì)生物無(wú)毒副作用，對(duì)環(huán)境無(wú)污染 的鈦、鋯、鋁和鐵元素，通過(guò)傳統(tǒng)的熔煉及加工方法即可制備，得到成本低、強(qiáng)度高，塑性好， 無(wú)毒副和污染的新型鈦鋯系合金。并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)a和0相的含量調(diào)節(jié)合金的力學(xué)性 能。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明合金拉伸試樣的尺寸圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明合金的XRD圖譜。
[0013] 圖3為本發(fā)明合金的微觀組織圖片
【具體實(shí)施方式】
[0014] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0015] 實(shí)施實(shí)例1
[0016] 用工業(yè)級(jí)海綿Ti、海綿Zr、純A1及純Fe按成分 47. 5Ti-47. 5Zr-4. 5A1-0. 5Fe(wt% )進(jìn)行配料。用非自耗電弧爐熔煉四遍以保證成分均 勻，在750-850°C保溫5-7min后快速轉(zhuǎn)移到兩棍平面軋機(jī)上進(jìn)行兩道次軋制變形，第一道 次軋制變形后，在以上溫度重新保溫3-5min再進(jìn)行第二道次的變形，每道次的厚度下壓量 為4-5_，最終得到厚度約4mm的板狀試樣，合計(jì)乳制最大厚度變形量為65-75%。在最后 一道次軋制后，將試樣快速浸入室溫水中（約20°C)進(jìn)行冷卻，待試樣完全冷卻后取出，將 軋制后的合金試樣表面進(jìn)行扒皮和表面修磨得到Ti-Zr-Al-Fe系合金樣品。加工成試樣進(jìn) 行測(cè)試。測(cè)試其力學(xué)性能見(jiàn)表1中實(shí)例1的數(shù)據(jù)。
[0017] 實(shí)施實(shí)例2
[0018] 用工業(yè)級(jí)海綿Ti、海綿Zr、純A1及純Fe按成分 47. 25Ti-47. 25Zr-4. 5A1-1. 0Fe(wt% )進(jìn)行配料。用非自耗電弧爐熔煉四遍以保證成分均 勻，在750-850°C保溫5-7min后快速轉(zhuǎn)移到兩棍平面軋機(jī)上進(jìn)行兩道次軋制變形，第一道 次軋制變形后，在以上溫度重新保溫3-5min再進(jìn)行第二道次的變形，每道次的厚度下壓量 為4-5_，最終得到厚度約4mm的板狀試樣，合計(jì)乳制最大厚度變形量為65-75%。在最后 一道次軋制后，將試樣快速浸入室溫水中（約20°C)進(jìn)行冷卻，待試樣完全冷卻后取出，將 軋制后的合金試樣表面進(jìn)行扒皮和表面修磨得到Ti-Zr-Al-Fe系合金樣品。加工成試樣進(jìn) 行測(cè)試。測(cè)試其力學(xué)性能見(jiàn)表1中實(shí)例2的數(shù)據(jù)。
[0019] 實(shí)施實(shí)例3
[0020] 用工業(yè)級(jí)海綿Ti、海綿Zr、純A1及純Fe按成分 47.OTi-47.OZr-4. 5A1-1. 5Fe(wt% )進(jìn)行配料。用非自耗電弧爐熔煉四遍以保證成分均 勻，在750-850°C保溫5-7min后快速轉(zhuǎn)移到兩棍平面軋機(jī)上進(jìn)行兩道次軋制變形，第一道 次軋制變形后，在以上溫度重新保溫3-5min再進(jìn)行第二道次的變形，每道次的厚度下壓量 為4-5_，最終得到厚度約4mm的板狀試樣，合計(jì)乳制最大厚度變形量為65-75%。在最后 一道次軋制后，將試樣快速浸入室溫水中（約20°C)進(jìn)行冷卻，待試樣完全冷卻后取出，將 軋制后的合金試樣表面進(jìn)行扒皮和表面修磨得到Ti-Zr-Al-Fe系合金樣品。加工成試樣進(jìn) 行測(cè)試。測(cè)試其力學(xué)性能見(jiàn)表1中實(shí)例3的數(shù)據(jù)。
[0021] 實(shí)施實(shí)例4
[0022] 用工業(yè)級(jí)海綿Ti、海綿Zr、純A1及純Fe按成分 46. 75Ti-46. 75Zr-4. 5A1-2. 0Fe(wt% )進(jìn)行配料。用非自耗電弧爐熔煉四遍以保證成分均 勻，在750-850°C保溫5-7min后快速轉(zhuǎn)移到兩棍平面軋機(jī)上進(jìn)行兩道次軋制變形，第一道 次軋制變形后，在以上溫度重新保溫3-5min再進(jìn)行第二道次的變形，每道次的厚度下壓量 為4-5_，最終得到厚度約4mm的板狀試樣，合計(jì)乳制最大厚度變形量為65-75%。在最后 一道次軋制后，將試樣快速浸入室溫水中（約20°C)進(jìn)行冷卻，待試樣完全冷卻后取出，將 軋制后的合金試樣表面進(jìn)行扒皮和表面修磨得到Ti-Zr-Al-Fe系合金樣品。加工成試樣進(jìn) 行測(cè)試。測(cè)試其力學(xué)性能見(jiàn)表1中實(shí)例4的數(shù)據(jù)。
[0023] 表1Ti-Zr-Al-Fe系合金力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種成本低高強(qiáng)度的Ti-Zr-Al-Fe系合金，其特征在于其合金元素及重量百分比組 成為：金屬鋁：4%-5%，金屬鐵：0.25-2. 5%，余量為鈦和鋯（各占余量的50%)及不可避 免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本高強(qiáng)度的Ti-Zr-Al-Fe系合金，其特征在于其合金元 素及重量百分比組成為：金屬鋁：4. 25% -4. 75%，金屬鐵：0.5-2. 0%，余量為鈦和鋯（各 占余量的50% )及不可避免的雜質(zhì)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種成本低且具有高強(qiáng)度的鈦鋯系合金，涉及一種采用廉價(jià)金屬元素制備的Ti-Zr-Al-Fe系合金，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于：合金只含有成本低的Ti、Zr、Al、Fe元素，其合金的重量百分比組成為：Al：4％-5％，F(xiàn)e：0.25-2.5％，余量為T(mén)i和Zr各一半及不可避免的雜質(zhì)。其室溫拉伸力學(xué)性能指標(biāo)分別為：抗拉強(qiáng)度σb：1200-1500MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2：700-1350MPa，延伸率δ：7％-15％。本發(fā)明合金具有成本低、強(qiáng)度高、塑性好、不含有毒元素的特點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】C22C30-00, C22C16-00, C22C14-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104762526
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510152872
【發(fā)明人】梁順星, 尹麗霞, 劉曉艷, 鄭立允, 謝海龍
【申請(qǐng)人】河北工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年3月26日