一种多级结构高强度高塑性钛锆基合金及制备方法
【专利摘要】一种多级结构高强度高塑性钛锆基合金，其是以质量百分比为：Ti38～42、Zr50～54、Al5、V3的钛锆基合金为基体获得的由微米级初生的αp大晶粒、亚微米级的α板条、纳米级针状的α″马氏体以及残余的β基体所组成的具有多相多级结构的高强度高塑性钛锆基合金。该合金的制备方法：将各种原料放入非自耗电弧炉，熔炼得到合金铸锭；在其表面涂覆高温抗氧化剂后在炉中加热保温后开坯锻造，获得板状合金；加热后水淬冷却；将合金板切割成薄板进行室温轧制变形；再于真空中进行退火处理；然后进行两步时效处理。本发明的合金在保持合金塑性的同时，有效地提高了合金的强度。
【专利说明】一种多级结构高强度高塑性钛锆基合金及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种合金材料及制备方法，特别是钛锆基合金及制备方法。 技术背景
[0002] 钛合金具有低密度、高强度、耐腐蚀性好等优良特性，是航空航天飞行器的重要结 构材料。目前广泛使用的Ti6A14V钛合金，其抗拉强度为900?1 lOOMPa，失效延伸率为8? 12%。TiZrAlV合金是在Ti6A14V合金的基础上发展起来的新型合金材料，锆元素的引入 有效的提高了材料的强度和硬度，使TiZrAlV合金成为一种非常有潜力的航空航天飞行器 的候选材料。但是，目前报道的TiZrAlV的抗拉强度仅为1100?1292MPa，失效延伸率为 6. 3?10%。随着航空航天技术的发展，未来航空航天领域中使用的钛合金材料的强度应 该 >1500MPa。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种能满足航空航天领域飞行器发展需要的多级结构高 强度高塑性钛锆基合金及其制备方法。
[0004] 本发明的一种多级结构高强度高塑性钛锆基合金，其是以质量百分比为：Ti38? 42、Zr50?54、A15、V3的钛锆基合金为基体获得的由微米级初生的α p大晶粒、亚微米级 的α板条、纳米级针状的α "马氏体以及残余的β基体所组成的具有多级结构的高强度 高塑性钛锆基合金。
[0005] 本发明的制备方法主要是将TixZr92_xAl 5V3(Wt% )合金，通过室温轧制变形、热退 火与两步时效处理工艺相结合，获得一种高强度、高塑性的钛锆基合金。
[0006] 上述钛锆基合金的制备方法具体如下：
[0007] 1、将钛、锆、铝、钒等各种原料放入非自耗电弧炉，熔炼温度>200(TC，熔炼三次， 每次的时间为10?50分钟，得到成分均匀的Ti xZr92_xAl5V3合金铸锭。
[0008] 2、将步骤1得到的合金铸锭表面涂覆高温抗氧化剂，然后在箱式加热炉中加热至 1025?1105°C，保温1?3小时后进行开坯锻造，经过2次镦拔后，使用大功率轧机对其进 行轧制，变形量达到80 %以上，最后获得板状合金。待板状合金冷却，再进行合金表面修整， 去除表面的抗氧化剂。
[0009] 3、将步骤2所得去除表面的抗氧化剂的板状合金置于电阻箱式热处理炉加热至 850?870°C，保温1小时，然后水淬冷却。该步工艺的目的是通过固溶水淬，获得较多的高 温β相，提高合金的室温变形能力。
[0010] 4、将步骤3所得合金板利用线切割成厚度为3?4_的薄板，然后进行室温轧制 变形。轧制应变速率为1.5?2. 2s'最好单道次下压量为1?2%，总变形量为90%以上， 总应变量为2. 66以上。
[0011] 5、将步骤4所得室温轧制变形的合金板置于高真空热退火炉中进行退火处理，真 空度为1(Γ4?l(T5Pa，温度为665-685°C，保温lOmin后空冷至室温；然后进行两步时效处 理，即先在625°C时效1· 5?2h，随后再在300°C时效1?4h空冷至室温。
[0012] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0013] 本发明利用室温变形结合热退火来调控合金的性能与微结构，而非通常采用的热 变形技术。与传统热变形技术所得到的单级板条结构钛合金相比，本发明由于采用室温变 形结合热退火制备出了具有多级结构的钛锆合金。与传统热变形技术所得到的TiZrAlV合 金力学性能（抗拉强度为1100?1292MPa，失效延伸率在6. 3?10% )相比，本发明所获 得的TiZr基合金的强度提高了?200MPa的同时，保持了相当大小的失效延伸率。
[0014] 本发明在保持合金塑性的同时，有效的提高了合金的强度，能够满足未来航空航 天领域对于1500MPa级高强度钛合金的强度和塑性的要求。
[0015] 本发明获得的钛锆合金的室温拉伸测试在Instron5948力学性能测试系统上进 行，本发明获得的钛锆合金的力学性能为：抗拉强度> 1500MPa，屈服强度> 1400MPa，失效 延伸率彡7%。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本发明实施例1中所得Ti4(l.2Zr51. 8Al5V3合金透射电镜照片图。
【具体实施方式】
[0017] 实施例1
[0018] 将钛、锆、铝及钒等各种原料放入非自耗电弧炉，熔炼温度>200(TC，熔炼三次，每 次的时间为45分钟，得到成分均匀的Ti 4a2Zr51.8Al5V3合金铸锭。将上述合金铸锭表面涂 覆高温抗氧化剂（钛合金高温锻造抗氧化剂保护涂料，上海润尔金属表面材料有限公司生 产），然后在箱式加热炉中加热至KKKTC，保温2. 5小时后进行开坯锻造，经过2次镦拔后， 使用大功率轧机对其进行轧制，变形量达到80%，最后获得板状Ti4a2Zr 51.8Al5V3合金。待 合金锭冷却，再进行合金锭表面修整，去除表面的抗氧化剂。将去除表面抗氧化剂的板状合 金置于电阻箱式热处理炉加热至865°C，保温1小时，然后使用水淬冷却样品。将水淬冷却 后所得合金板利用线切割取样，得到厚度为4mm后的薄板，然后进行室温轧制变形。轧制应 变速率为2. 2s_S单道次下压量为2%，总变形量为90%，总应变量为2. 66。将上面所得室 温轧制变形合金板样品置于高真空热退火炉（真空度优于l〇_4Pa)中进行退火处理，温度为 675°C，保温10分钟，然后空冷至室温，冷却速率3°C /分钟。之后对退火样品进行两步时效 处理，即先在625°C时效2小时，再在300°C时效1. 5小时后空冷至室温。
[0019] 用JE0L2010透射电子显微镜对样品的微结构进行观察，经过上述方法所制备 的Ti^Zr^AluVu的钛锫基合金是：由微米级初生的α ρ大晶粒、亚微米级的α板 条、纳米级针状的α "马氏体以及残余的β基体所组成的多相多级结构。室温拉伸测 试在Instron5948力学性能测试系统上进行。拉伸样品的标距尺寸为长X宽X高= 5 X 2 X 0· 35mm3,样品全长为22mm，拉伸应变速率为：1 X ΚΤΥ1，测试过程中利用视频引伸计 测试样品标距的长度变化。样品的力学性能为：抗拉强度为1550MPa，屈服强度为1430MPa， 失效延伸率为8.0%。
[0020] 实施例2
[0021] 将钛、锆、铝及钒等各种原料放入非自耗电弧炉，熔炼温度>200(TC，熔炼三次，每 次的时间为30分钟，得到成分均匀的Ti39.2?.9A15V 3合金铸锭。将上述合金铸锭表面涂 覆高温抗氧化剂（钛合金高温锻造抗氧化剂保护涂料，上海润尔金属表面材料有限公司生 产），然后在箱式加热炉中加热至1KKTC，保温3小时后进行开坯锻造，经过2次镦拔后，使 用大功率轧机对其进行轧制，变形量达到85%，最后获得板状Ti 39. 合金。待合金 锭冷却，在进行合金锭表面修整，去除表面的抗氧化剂。将去除表面氧化剂的板状合金置于 电阻箱式热处理炉加热至850°C，保温1小时，然后使用水淬冷却样品。将水淬冷却后所得 合金板利用线切割取样，得到厚度为3mm后的薄板，然后进行室温轧制变形。轧制应变速率 为1. 5s'单道次下压量为1. 5%，总变形量为93%，总应变量为3. 1。将上面所得室温轧制 变形合金板样品置于高真空热退火炉（真空度优于l〇_5Pa)中进行退火处理，温度为685°C， 保温10分钟。然后空冷至室温，之后对退火样品进行两步时效处理，即先在625°C时效1. 5 小时，再在300°C时效3小时后空冷至室温。
[0022] 用JE0L2010透射电子显微镜对样品的微结构进行观察。经过上述方法所制 备的的钛锆基合金是：由微米级初生的α ρ大晶粒、亚微米级的α板 条、纳米级针状的α "马氏体以及残余的β基体所组成的多相多级结构。室温拉伸测 试在Instron5948力学性能测试系统上进行。拉伸样品的标距尺寸为长X宽X高= 5 X 2 X 0· 35mm3,样品全长为22mm，拉伸应变速率为：1 X ΚΤΥ1，测试过程中利用视频引伸计 测试样品标距的长度变化。样品的力学性能为：抗拉强度为1570MPa，屈服强度为1440MPa， 失效延伸率为7.0%。
[0023] 表1为本专利TixZr92_xAl 5V3与文献报道钛合金力学性能对比表
[0024]
【权利要求】
1. 一种多级结构高强度高塑性钛锆基合金，其特征在于：其是以质量百分比为： Ti38?42、Zr50?54、A15、V3的钛锆基合金为基体获得的由微米级初生的α p大晶粒、亚 微米级的α板条、纳米级针状的α "马氏体以及残余的β基体所组成的具有多相多级结 构的高强度高塑性钛锆基合金。
2. 权利要求1的一种多级结构高强度高塑性钛锆基合金的制备方法，其所用钛锆基合 金成分的质量百分比为：!138?42、2沾0?54315、￥3，其特征在于 ：其制备方法如下： (1) 将钛、锆、铝、钒各种原料放入非自耗电弧炉，熔炼温度>2000°C，熔炼三次，每次的 时间为10-50分钟，得到成分均匀的Ti xZr92_xAl5V3合金铸锭； (2) 将步骤1得到的合金铸锭表面涂覆高温抗氧化剂，然后在箱式加热炉中加热至 1025?1105°C，保温1?3小时后进行开坯锻造，经过2次镦拔后，使用大功率轧机对其进 行轧制，变形量达到80%以上，最后获得板状合金，待板状合金冷却，再进行合金表面修整， 去除表面的抗氧化剂； (3) 将步骤2所得去除表面的抗氧化剂的板状合金置于电阻箱式热处理炉加热至 850?870°C，保温1小时，然后水淬冷却； (4) 将步骤3所得合金板利用线切割成厚度为3?4mm的薄板，然后进行室温轧制变 形，乳制应变速率为1. 5?2. 2s_\总变形量为90%以上，总应变量为2. 66以上； (5) 将步骤4所得室温轧制变形的合金板置于高真空热退火炉中进行退火处理，真空 度为ΚΓ4?l(T5Pa，温度为665-685°C，保温10分钟后空冷至室温；然后对退火样品进行两 步时效处理，即先在625°C时效1. 5?2h，随后再在300°C时效1?4h空冷至室温。
3. 根据权利要求2所述的一种多级结构高强度高塑性钛锆基合金的制备方法，其特征 在于：室温轧制变形单道次下压量为1?2%。
【文档编号】C22F1/18GK104046846SQ201410312161
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】张湘义, 石银东, 李明 申请人:燕山大学