本發(fā)明屬于鈦合金領(lǐng)域，尤其涉及一種耐氫脆高強(qiáng)鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鈦合金作為一種典型的輕質(zhì)高強(qiáng)度金屬材料，因其優(yōu)異的比強(qiáng)度、抗腐蝕性、耐高溫性能以及良好的生物相容性，在航空航天、海洋工程、化工裝備及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，鈦合金材料被越來(lái)越多地用于制造高強(qiáng)度和高穩(wěn)定性的關(guān)鍵承力構(gòu)件，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、火箭殼體、深海探測(cè)器外殼和化工反應(yīng)釜等。然而，在這些極端服役環(huán)境中，氫氣的滲入和積聚對(duì)鈦合金的力學(xué)性能造成了嚴(yán)重的威脅，極易引發(fā)氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的塑性和韌性顯著下降，甚至發(fā)生突然斷裂，從而極大地影響了其使用壽命和安全性。

2、氫脆是指氫元素通過(guò)擴(kuò)散、滲入到金屬材料內(nèi)部，在晶界、亞晶界或晶體缺陷處聚集，從而降低材料的變形能力，使材料表現(xiàn)出比原本更為脆性的破壞形式。對(duì)于鈦合金而言，氫原子的侵入會(huì)引發(fā)一系列復(fù)雜的相變和顯微結(jié)構(gòu)的演變，具體表現(xiàn)為氫原子在α相和β相中偏析、導(dǎo)致氫化物(如tih2)相的形成，最終引起材料局部的應(yīng)力集中和顯微裂紋的產(chǎn)生。這些氫化物相的存在使鈦合金在氫環(huán)境下表現(xiàn)出更高的氫脆敏感性，特別是在高溫或高壓條件下，氫脆問(wèn)題變得更加顯著。

3、為了提高鈦合金在氫氣環(huán)境下的耐氫脆性能，傳統(tǒng)技術(shù)通常通過(guò)以下幾種方式進(jìn)行改進(jìn)：一是優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)，通過(guò)添加鈀(pd)、鉻(cr)、釩(v)等元素抑制氫的擴(kuò)散和氫化物相的形成；二是調(diào)整微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)，通過(guò)熱處理工藝控制α相與β相的比例及形態(tài)，減少氫在晶界和相界面的偏聚。然而，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中存在明顯的局限性：一方面，成分設(shè)計(jì)復(fù)雜、合金成本高昂，且一些添加元素可能導(dǎo)致材料韌性和加工性能的劣化；另一方面，傳統(tǒng)的熱處理工藝難以同時(shí)兼顧材料的強(qiáng)度和耐氫脆性，尤其是在對(duì)高強(qiáng)度鈦合金進(jìn)行進(jìn)一步強(qiáng)化時(shí)，往往伴隨著耐氫脆性的顯著下降。

4、因此，針對(duì)這些問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種具有耐氫脆特性的高強(qiáng)鈦合金棒材及其制備方法，以滿(mǎn)足在氫氣環(huán)境中長(zhǎng)期服役的高強(qiáng)度鈦合金構(gòu)件的使用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服以上背景技術(shù)中提到的不足和缺陷，提供一種耐氫脆高強(qiáng)鈦合金及其制備方法。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

3、一種耐氫脆高強(qiáng)鈦合金，其包含按質(zhì)量含量計(jì)的下述組分：鋁5.5～6.5％、錫3.5～4.5％、鋯3.2～3.8％、鉬0.4～0.6％、鎢0.7～1.2％、鈮0.25～0.35％、硅0.4～0.6％、釔0.8～1.2％、碳0.03～0.08％，余量為鈦元素和不可避免的雜質(zhì)；

4、所述耐氫脆高強(qiáng)鈦合金經(jīng)下述步驟制備而成：將熔煉完成的鑄態(tài)合金坯在開(kāi)坯處理后，進(jìn)行鍛造和熱處理；

5、所述鍛造依次包括：在1020～1050℃下改鍛，在860～940℃下改鍛和成型，在900～950℃下軋制成型。

6、作為進(jìn)一步的改進(jìn)，其包含按質(zhì)量含量計(jì)的下述組分：鋁5.8％、錫4％、鋯3.5％、鉬0.5％、鎢1％、鈮0.3％、硅0.5％、釔1％、碳0.05％，余量為鈦元素和不可避免的雜質(zhì)。

7、本發(fā)明還提供一種所述耐氫脆高強(qiáng)鈦合金的制備方法，包括如下步驟：

8、s1、將合金原料混合、壓制成電極塊，并將電極塊制成自耗電極，熔煉得到鑄態(tài)合金坯；

9、s2、將鑄態(tài)合金坯在開(kāi)坯處理后，進(jìn)行鍛造，制得鈦合金棒材；

10、s3、將鍛造完成的鈦合金棒材進(jìn)行熱處理，得到耐氫脆高強(qiáng)鈦合金棒材。

11、作為進(jìn)一步的改進(jìn)，s1中鈦以海綿鈦的形式加入，鋯以海綿鋯的形式加入，鋁以中間合金及高純鋁的形式加入，錫以高純ti-sn中間合金的形式加入，鉬以al-mo中間合金的形式加入，硅以al-si中間合金的形式加入，鎢以al-w中間合金的形式加入，碳采用碳粉的形式加入。

12、作為進(jìn)一步的改進(jìn)，s1中采用真空自耗電極電弧熔煉爐對(duì)合金原料進(jìn)行重復(fù)熔煉3次，熔煉溫度控制在1910℃～1930℃。

13、作為進(jìn)一步的改進(jìn)，s2中所述開(kāi)坯處理包括：將鑄態(tài)合金坯加熱至1150～1200℃進(jìn)行均勻化處理，然后熱鍛開(kāi)坯。

14、作為進(jìn)一步的改進(jìn)，所述熱鍛開(kāi)坯變形量不低于40％。

15、作為進(jìn)一步的改進(jìn)，s2中所述鍛造依次包括：

16、1)在1020～1050℃下改鍛，反復(fù)鐓粗和拔長(zhǎng)鍛造，變形量不低于50％；

17、2)在860～940℃下改鍛和成型，反復(fù)鐓粗和拔長(zhǎng)鍛造，拔長(zhǎng)期間單次下壓變形量不超過(guò)20mm；

18、3)在900～950℃下進(jìn)行多道次軋制成型，每道次變形量≤10％。

19、作為進(jìn)一步的改進(jìn)，s3中所述熱處理是先進(jìn)行固溶處理，再進(jìn)行人工時(shí)效處理。

20、作為進(jìn)一步的改進(jìn)，所述固溶處理的溫度為900-1025℃，人工時(shí)效處理的溫度為550-720℃。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

22、研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素y在鈦合金中通常形成稀土氧化物、稀土碳化物或稀土氮化物，在鈦合金中形成細(xì)小、彌散分布的析出相，起到“氫捕捉劑”的作用，減少氫在晶界處的富集，并有效抑制氫化物的形成。這些第二相能夠在晶粒內(nèi)部或晶界處形成穩(wěn)定的氫陷阱，從而顯著降低氫在基體中的自由擴(kuò)散速率。

23、si是鈦合金中一種重要的高溫強(qiáng)化元素，能夠有效增強(qiáng)固溶體的性能。在β鈦中，si的溶解度顯著高于在α鈦中的溶解度，且隨著溫度升高，si在α鈦中的溶解度逐漸增加。si一般以?xún)煞N形式存在：一是固溶于基體中，二是以硅化物的形式析出。這兩種形式分別通過(guò)固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用提高鈦合金的熱強(qiáng)性能。常見(jiàn)的硅化物具有兩種晶體結(jié)構(gòu)：s1型(ti,zr)5si3和s2型(ti,zr)6si3。硅化物的析出行為及其長(zhǎng)大過(guò)程受到合金成分、熱加工工藝和熱處理?xiàng)l件等因素的影響，其中加熱溫度對(duì)硅化物的析出、分布、形貌及顆粒尺寸的影響尤為顯著。本發(fā)明合金中的兩種類(lèi)型的硅化物分布在基體內(nèi)部或晶界處，形成穩(wěn)定的強(qiáng)氫陷阱，能夠有效抑制氫向材料內(nèi)部的擴(kuò)散。

24、采用本發(fā)明的合金元素，結(jié)合本發(fā)明的熱加工工藝和經(jīng)優(yōu)化的工藝條件，由此得到的合金的微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)為三態(tài)組織通常比魏氏組織具有更好的抗氫脆性能。因?yàn)榫鶆虻碾p態(tài)或三態(tài)組織能夠減少氫在局部位置的富集，降低了氫化物相在晶界或相界面形成的可能性。

25、本發(fā)明合金的細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)能夠顯著提高合金的綜合力學(xué)性能，并在一定程度上阻礙氫原子沿晶界擴(kuò)散。在合金的晶界處添加微量元素(如si、mo)可以進(jìn)一步抑制氫的偏聚效應(yīng)。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)在合金中引入合適的第二相或微觀(guān)缺陷，可以形成有效的氫陷阱，從而減少氫在基體中的擴(kuò)散和聚集。。

26、本發(fā)明經(jīng)過(guò)鍛造軋制后的合金，由于在塑性變形或高溫處理過(guò)程中，合金內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)線(xiàn)、位錯(cuò)纏結(jié)以及空位簇，這些缺陷可以在材料中形成有效的氫陷阱。當(dāng)氫原子擴(kuò)散到這些位錯(cuò)線(xiàn)或空位簇時(shí)，會(huì)被有效束縛，減少其向晶界或亞晶界的移動(dòng)，從而降低氫化物在晶界處的析出。通過(guò)引入高密度的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(通過(guò)大塑性變形工藝)，可以顯著提高材料的氫捕捉能力。

27、本發(fā)明從原料選擇開(kāi)始，以及采用的真空熔煉熔煉工藝，到熔煉鍛造及其熱處理，可以避免氫氣的吸收，最大限度避免引入過(guò)量的氫、氧、氮等有害元素，因?yàn)樗鼈儠?huì)顯著增加合金的氫脆敏感性，且可以避免對(duì)合金的力學(xué)性能造成較大的影響。

28、本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化的合金成分設(shè)計(jì)，顯著降低了氫在鈦合金中的擴(kuò)散系數(shù)，減少了氫在晶界及相界的偏聚效應(yīng)，從而有效抑制了氫化物相的形成；其次，合理的熱處理工藝使合金獲得了更為均勻的顯微組織結(jié)構(gòu)，有效提升了材料的塑性和韌性。

29、本發(fā)明的鈦合金在充氫拉伸后不會(huì)出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，且兼顧材料的強(qiáng)度和耐氫脆性，充氫后rm可達(dá)1180mpa，高于充氫前，充氫后延伸率可達(dá)11.3％，與充氫前相當(dāng)。