一種具有復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)低成本鈦合金及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及鈦合金材料制造，具體涉及一種具有復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)低成本鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、高低溫性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在航空航天、武器裝備以及海洋等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，目前鈦合金仍然存在成本過(guò)高的問(wèn)題，其成本是鋼鐵的近17倍，鋁合金的4.5倍，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用拓展。鈦合金的成本主要取決于海綿鈦原材料成本和熔煉、熱處理及加工成形成本，因此降低原料成本、開發(fā)短流程高效制備新技術(shù)是發(fā)展低成本鈦合金的主要技術(shù)途徑。

2、為此，授權(quán)公告號(hào)為cn103131896b的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種低成本近β鈦合金，合金元素質(zhì)量百分含量組成為：al?0~3%，cr?4.1~5.5%，fe?2~3%，b?0~0.30%，余量為ti，原料成本約ti-6al-4v的四分之三，基本力學(xué)性能與ti-6al-4v相當(dāng)。授權(quán)公告號(hào)為cn105525142b的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種低成本鈦合金及其均勻化制備方法，合金成分按質(zhì)量百分比計(jì)為：al?1.8~4.0%，v?1.2~2.0%，fe?1.0~3.0%，o?0.1~0.2%，其余為ti和無(wú)法避免的雜質(zhì)，合金成分接近ti-6al-4v合金成分的一半，抗拉強(qiáng)度在796mpa以上。授權(quán)公告號(hào)為cn112813303b的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種1000mpa強(qiáng)度級(jí)別低成本鈦合金材料及其制備方法，合金成分按照質(zhì)量百分比為：al?5.0%~7.0%；fe?2.0%~5.0%；cr?1.0%~3.0%；o?0.06%~0.30%；si?0.01%~0.35%；余量為ti和不可避免的雜質(zhì)，可降低合金制造成本10%至30%，抗拉強(qiáng)度在1000mpa~1200mpa、延伸率在8%~20%。上述低成本鈦合金均采用價(jià)格較為廉價(jià)cr、fe或cr-fe中間合金全部或部分替代高成本的v、mo元素作為合金強(qiáng)化劑，同時(shí)又通過(guò)提高o、b、si等間隙元素的含量在鈦合金晶格內(nèi)形成間隙固溶體來(lái)提高鈦合金強(qiáng)度。然而，此類低成本鈦合金材料中仍含有一定量的高成本v，僅部分降低了合金原料成本。此外，此類低成本鈦合金中含有含量較高的cr、fe合金化元素，會(huì)普遍造成熔煉成分偏析，從而提高了合金的熔煉和熱處理成本，未能達(dá)到全流程制備的低成本化。因此，低合金化全流程低成本鈦合金的設(shè)計(jì)與制備是新型低成本鈦合金材料開發(fā)的新思路。

3、間隙元素可抑制孿晶以及通過(guò)直接的溶質(zhì)-位錯(cuò)交互作用阻礙位錯(cuò)滑移，少量間隙元素進(jìn)入鈦便可達(dá)到高的強(qiáng)化能力，通過(guò)間隙元素的固溶強(qiáng)化來(lái)提高鈦合金強(qiáng)度是開發(fā)低成本高強(qiáng)鈦合金的有效方式。然而，間隙元素的固溶強(qiáng)化有一個(gè)缺點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致塑性的急劇損失。因此，單獨(dú)地添加間隙元素難以滿足鈦合金對(duì)性能的要求。ti中加入一定量替代al后會(huì)形成具有一定空間群結(jié)構(gòu)的短程有序域do19，同時(shí)在合金中加入間隙元素，間隙元素會(huì)優(yōu)先占據(jù)短程結(jié)構(gòu)的間隙位置，形成復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)。復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)的形成會(huì)對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，在塑性變形過(guò)程中誘導(dǎo)位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的塑性。盡管在ti中添加一定量al和間隙元素確實(shí)會(huì)產(chǎn)生有利于獲得良好塑性的變形模式，但現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)兩類合金添加劑有益性組合的含量未有報(bào)道。此外，鈦合金中短程有序結(jié)構(gòu)的形成條件非?？量?，現(xiàn)有方法需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)的時(shí)效處理，大大提高了鈦合金材料的制備成本，顯然不符合低成本鈦合金全流程低成本化制備的要求。

4、為此，現(xiàn)有技術(shù)中亟需一種針對(duì)低成本鈦合金的低合金化成分設(shè)計(jì)及短程有序結(jié)構(gòu)的全流程低成本制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)低成本鈦合金及其制備方法。該方法采用低合金含量成分設(shè)計(jì)思路，在采用短程有序域元素al的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加質(zhì)量百分含量較小的間隙元素o、b、c和fe作為主要強(qiáng)化元素提高鈦合金強(qiáng)度及硬度，同時(shí)形成ti-al-x復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)改善鈦合金塑性，降低合金成本，實(shí)現(xiàn)低成本高強(qiáng)鈦合金的設(shè)計(jì)與制備，解決了現(xiàn)有短程有序結(jié)構(gòu)鈦合金全流程低成本的制備難題。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種具有復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)低成本鈦合金，其特征在于，該鈦合金的組成為ti-al-fe-x，其中短程有序域元素al的質(zhì)量百分含量為4%~6%，強(qiáng)化元素fe的質(zhì)量百分含量為0%~3%，復(fù)合短程有序添加元素x選自間隙元素o、b、c中的一種或兩種，質(zhì)量百分含量分別為o?0.3%~0.5%，c?0.1%~0.2%，b?0.04%~0.1%，且x的總含量為0.3%~0.6%，余量為ti以及不可避免的雜質(zhì)；所述鈦合金在25℃的抗拉強(qiáng)度rm≥1080mpa，斷后延伸率a≥12%，洛氏硬度≥40hrc。

3、上述的一種具有復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)低成本鈦合金，其特征在于，該鈦合金的組成為ti-al-fe-x，其中短程有序域元素al的質(zhì)量百分含量為4%~5%，強(qiáng)化元素fe的質(zhì)量百分含量為1.5%~2%，復(fù)合短程有序添加元素x選自間隙元素o、b、c中的一種或兩種，質(zhì)量百分含量分別為o?0.3%~0.4%，c?0.1%~0.15%，b?0.04%~0.06%，且x的總含量為0.3%~0.55%，余量為ti以及不可避免的雜質(zhì)。

4、上述的一種具有復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)低成本鈦合金，其特征在于，該鈦合金的組成為ti-al-fe-x，其中短程有序域元素al的質(zhì)量百分含量為4%，強(qiáng)化元素fe的質(zhì)量百分含量為1.7%，復(fù)合短程有序添加元素x為間隙元素o和b，質(zhì)量百分含量分別為o?0.4%，b?0.06%，余量為ti以及不可避免的雜質(zhì)。

5、同時(shí)，本發(fā)明還公開了一種制備如上述的具有復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)低成本鈦合金的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

6、步驟一、按照目標(biāo)產(chǎn)物的設(shè)計(jì)成分將原料配料并壓制得到電極塊；

7、步驟二、將步驟一中得到的電極塊組焊為長(zhǎng)條狀電極，然后進(jìn)行2次真空自耗熔煉得到鑄錠；

8、步驟三、將步驟三中得到的鑄錠加熱至1000℃~1100℃進(jìn)行二次鍛造，然后水淬，得到鍛坯；

9、步驟四、將步驟三中得到的鍛坯加熱至800℃~850℃進(jìn)行軋制，軋制總變形量不小于60%，然后經(jīng)800℃保溫0.5~1h退火處理得到鈦合金坯料；

10、步驟五、將步驟四中得到的鈦合金坯料進(jìn)行電熱處理，得到具有復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)低成本鈦合金。

11、上述的方法，其特征在于，步驟一中所述原料來(lái)源于鋁豆、鋁管、鐵釘、3級(jí)海綿鈦、tio2粉末、tib2粉末、碳粉、工業(yè)鈦回收料、海綿鈦回收料；所述原料中工業(yè)鈦回收料和海綿鈦回收料的質(zhì)量含量為50%~70%。本發(fā)明通過(guò)大量采用價(jià)格低廉的回收料作為原料，降低鈦合金制備成本。

12、上述的方法，其特征在于，步驟一中所述配料并壓制電極的過(guò)程中，將tio2粉末、tib2粉末、碳粉混合均勻后灌入鋁管中并封口，并在壓制電極時(shí)將灌入粉末的鋁管均勻布置在電極的上、中、下位置。通過(guò)該布料方式，使得粉末原料在電極中均勻分布，保證后續(xù)熔煉均勻。

13、上述的方法，其特征在于，步驟五中所述電熱處理的參數(shù)為：溫度400℃~450℃，處理時(shí)間1h~5h。該電熱處理的溫度保證鈦合金中產(chǎn)生短程有序相，且處理時(shí)間較常規(guī)熱處理縮短。

14、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

15、1、本發(fā)明的鈦合金采用低合金含量成分設(shè)計(jì)思路，在采用短程有序域元素al的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加質(zhì)量百分含量較小的間隙元素o、b、c主要強(qiáng)化元素提高鈦合金強(qiáng)度及硬度，同時(shí)形成ti-al-x復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)改善鈦合金塑性，避免間隙元素過(guò)多導(dǎo)致塑性急劇下降，并利用fe作為次要強(qiáng)化元素進(jìn)一步提高鈦合金強(qiáng)度及硬度，并優(yōu)化鈦合金組織，改善鈦合金塑性，有效降低了合金化元素質(zhì)量占比，使得合金原材料成本僅為ti-6al-4v合金一半。

16、2、本發(fā)明基于短程有序結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化理論，通過(guò)對(duì)鈦合金成分組成進(jìn)行控制并結(jié)合電熱處理制備工藝，構(gòu)建間隙元素輔助的ti-al-o、ti-al-b和ti-al-c復(fù)合短程有序結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低成本高強(qiáng)鈦合金的設(shè)計(jì)與制備，改善了鈦合金強(qiáng)度、硬度和塑性，最終鈦合金在25℃的抗拉強(qiáng)度rm≥1080mpa，斷后延伸率a≥12%，洛氏硬度≥40hrc，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)塑性匹配，且力學(xué)性能遠(yuǎn)高于ti-6al-4v合金。

17、3、本發(fā)明采用電熱處理工藝，結(jié)合熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)制備短程有序結(jié)構(gòu)，將鈦合金短程有序結(jié)構(gòu)的形成時(shí)間從現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)百小時(shí)縮短至數(shù)小時(shí)以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了鈦合金短程有序結(jié)構(gòu)的快速高效制備。

18、4、本發(fā)明的鈦合金中通過(guò)添加質(zhì)量百分含量較小的o、b、c和fe作為強(qiáng)化劑，減少了fe等合金化元素含量過(guò)高造成的熔煉成分偏析，進(jìn)一步降低了合金熔煉和熱處理成本。

19、5、本發(fā)明通過(guò)添加廉價(jià)元素、降低合金化元素含量及快速電熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)了鈦合金全流程低成本化制備，工藝步驟簡(jiǎn)單，成本降低20%以上，生產(chǎn)效率提高30%以上，適合于規(guī)?；a(chǎn)，在汽車、化工及體育用品等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

20、下面通過(guò)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。