[发明专利]一种钛锆基合金的制备方法

说明书

技术领域  本发明涉及一种合金材料的制备方法，特别是一种钛锆合金的制备方法。

技术背景

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Ti6Al4V钛合金，其抗拉强度为900～1100MPa，失效延伸率为8～12%。TiZrAlV合金是在Ti6Al4V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。众所周知，强度越高，塑性越差。如何能够获得具有更高强度和塑性的TiZrAlV，对航空航天领域飞行器的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能保持合金塑性，同时能有效地提高合金的强度的钛锆基合金的制备方法。本发明主要是通过对钛锆基合金进行固溶水淬、室温轧制变形和热处理，获得了一种高强度、高塑性的钛锆基合金。

本发明的技术方案如下：

本发明所用钛锆基合金成分的质量百分比wt%为：Ti41～62、Zr30～51、Al5、V3。

上述钛锆基合金的制备方法：

1、将钛、锆、铝、钒等各种原料放入非自耗电弧炉，熔炼温度>2000℃,熔炼三次，每次的时间为10～50分钟，得到成分均匀的Ti_xZr_92-xAl₅V₃合金铸锭。

2、将上述步骤1得到的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1025～1105℃，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℃，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。

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。轧制应变速率为2.2～3.1s^-1，单道次下压量为1～2%，总变形量为80%以上，总应变量为1.85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10^-4～10^-5Pa，温度为740～760℃，保温1小时，然后空冷至室温。

采用S-4800场发射扫描电子显微镜对本发明获得的钛锆合金的微结构进行观察，其结构特征是：微结构为α相等轴晶和β相板条组成的双态组织；α相等轴晶分别分布在原始β相晶粒的边界处和β相晶粒内部；原始β晶粒的平均晶粒尺寸<10μm。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，将该钛锆合金板材做成拉伸试样，其标具尺寸为：长×宽×厚=5×2×0.3mm³，过渡圆半径为5mm，全长为22mm，拉伸应变速率为：1×10^-3s^-1，测试过程中利用视频引伸计测试样品标具的长度变化。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≥1350MPa，失效延伸率≥7.6%。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、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，本发明所获得的钛锆合金的强度提高了17～18%，同时保持了相当大小的失效延伸率。

2、与传统热变形技术所得到的钛合金微结构(双态组织)相比，本发明由于采用室温变形，原始β相晶粒的晶粒尺寸降到了10μm以下，而一般的热变形得到的钛合金的β相晶粒在20μm以上；本发明获得的钛锆合金所具有的双态组织中，α相等轴晶不仅分布在原始β晶粒的边界处，而且还存在于β相晶粒内部。