本發(fā)明屬于鈦合金材料領(lǐng)域，具體涉及一種低成本中強(qiáng)高韌鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鈦合金因其相對(duì)密度低、比強(qiáng)度高、具有優(yōu)異的高溫性能和抗腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、兵器工業(yè)等。其中，最典型的tc4鈦合金（ti-6al-4v）因具有中強(qiáng)中韌綜合性能優(yōu)的特點(diǎn)，占據(jù)了近50%的鈦合金市場(chǎng)。為了進(jìn)一步拓展鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域，研究者們陸續(xù)開(kāi)發(fā)了很多其它牌號(hào)的鈦合金，如近年來(lái)開(kāi)始獲得批量性工業(yè)化應(yīng)用的中強(qiáng)高韌tc32鈦合金（ti-5al-3cr-3mo-1zr-0.15si），它在強(qiáng)度、韌性等綜合性能上相比tc4合金更具有優(yōu)勢(shì)（tc32鈦合金強(qiáng)度稍優(yōu)于tc4鈦合金，tc32鈦合金的沖擊韌性和斷裂韌性明顯高于tc4鈦合金）。如tc32鈦合金類的新牌號(hào)鈦合金的開(kāi)發(fā)，大幅度增加了鈦合金零部件在關(guān)鍵部位服役時(shí)的安全性能，同時(shí)也是未來(lái)鈦合金發(fā)展的重要方向。然而美中不足的是，tc32鈦合金雖不含貴金屬v、但含貴金屬mo及非廉價(jià)的zr，導(dǎo)致成本仍然較高。

2、通過(guò)設(shè)計(jì)新型的鈦合金成分，從而改變?cè)牧系呐淙胧悄壳罢{(diào)節(jié)鈦合金成本的一個(gè)重要方法，如，采用cr、fe、si等低成本的元素代替mo、v、ta、nb等貴合金元素。cn202011627352.1公開(kāi)了一種1000mpa強(qiáng)度級(jí)別低成本鈦合金材料及其制備方法，這種鈦合金材料（ti-6.5al-3.5fe-2cr）強(qiáng)度優(yōu)于tc4，但加入了3.5wt.%fe元素。眾所周知，fe元素含量一旦超過(guò)2wt.%，將難以控制偏析問(wèn)題（這個(gè)可以從tb6鈦合金（ti-10v-2fe-3al）廣泛的β斑控制研究的報(bào)道中獲知），因此，難以單批次大規(guī)格生產(chǎn)（因?yàn)殁伜辖鹑蹮捝a(chǎn)的鑄錠直徑越大，合金元素的偏析趨勢(shì)也越大，偏析元素較多但鑄錠規(guī)格較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生冶金缺陷導(dǎo)致整錠報(bào)廢），也限制了其工業(yè)化生產(chǎn)成本的降低。另外，有文獻(xiàn)報(bào)道高達(dá)8.5wt.%cr的ti-3al-(6-8.5)cr-(1-3)fe高強(qiáng)鈦合金，因?yàn)閏r元素含量超過(guò)了4wt.%，實(shí)際上難以進(jìn)行低成本工業(yè)化大規(guī)格產(chǎn)品的制備（可以從tc17合金（ti-5al-2sn-4mo-4cr）的相關(guān)的β斑報(bào)道中得知），這限制了其工業(yè)化生產(chǎn)成本的降低。因此，在設(shè)計(jì)低成本合金時(shí)，也需要考慮到其工業(yè)化低成本大規(guī)模制備的困難。當(dāng)采用cr、fe設(shè)計(jì)時(shí)，cr元素一般需要≤4wt.%，fe元素一般需要≤2wt.%。cn201110308095.x（一種低成本鈦合金及其制備方法）及專利cn200810226729.5（一種低成本α+β型鈦合金）等報(bào)道了一種ti-al-fe-cr-(mo)合金，這些鈦合金因里面al含量較低（≤3wt.%）或者cr合金元素含量較低（≤2wt.%）而需要mo等貴金屬額外強(qiáng)化，其成本雖低于tc4，但其強(qiáng)塑性難以優(yōu)于tc4。

3、理論上可以得知，在鈦合金中采用中等固溶度的快共析元素fe、cr替代互溶元素v、mo時(shí)，并不能寄期望于一種簡(jiǎn)單的替代行為，而是需要巧妙的設(shè)計(jì)其含量區(qū)間，并需引入其它微量元素，平衡這種強(qiáng)韌性之間的設(shè)計(jì)差異，才能夠在替代tc4合金的同時(shí)，更具有綜合性能的優(yōu)勢(shì)。

4、因此，在鈦合金中采用cr、fe等元素低成本替代時(shí)，也亟需對(duì)al、cr、fe、si等合金元素進(jìn)行匹配成分設(shè)計(jì)，進(jìn)而才有可能獲得一種易生產(chǎn)、低成本，同時(shí)具有中強(qiáng)高韌性能的鈦合金。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種低成本中強(qiáng)高韌鈦合金及其制備方法，在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)調(diào)控合適的al、cr、fe、si含量等，使其不僅能低成本替代v等貴金屬元素，而且合理的調(diào)控替代差異，進(jìn)一步細(xì)化組織，優(yōu)化鈦合金的綜合性能，并適宜工業(yè)化大規(guī)格生產(chǎn)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種低成本中強(qiáng)高韌鈦合金，按照質(zhì)量百分比計(jì)，由以下元素組成：al:?5.5%-6.5%,?cr：2.5%-3.5%,?fe:?0.5%-1.5%,?si:?0.05%-0.2%，o:?≤0.2%,?n:?≤0.05%,?c:≤0.08%,?h:?≤0.015%,?余量為ti和其它雜質(zhì)，且其它雜質(zhì)單個(gè)≤0.1%、總和≤0.3%。

4、本發(fā)明采用fe、cr、si廉價(jià)合金元素替代傳統(tǒng)的v、mo等貴金屬元素，其中fe、cr含量控制尤為關(guān)鍵，一方面，其含量不宜過(guò)高但也不宜過(guò)低（需要0.5wt.%≤fe≤2wt.%，2wt.%≤cr≤4wt.%），另一方面，al（α相穩(wěn)定化元素）與fe/cr（β相穩(wěn)定化元素）元素需相互平衡設(shè)計(jì)（如下表1所示）。本發(fā)明設(shè)計(jì)的α+β合金穩(wěn)定化元素直接影響的理論強(qiáng)度及理論相變點(diǎn)介于成熟的中強(qiáng)中韌tc4合金與中強(qiáng)高韌的tc32合金之間，同時(shí)根據(jù)鈦合金電子濃度設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)的共價(jià)鍵強(qiáng)度bo及d軌道能級(jí)md也介于tc4合金與中強(qiáng)高韌的tc32合金之間，使得本發(fā)明設(shè)計(jì)的合金處于中高強(qiáng)韌鈦合金組織相變及熱加工工藝窗口，同時(shí)本發(fā)明采用si元素調(diào)控快共析元素fe、cr替代互溶元素v、mo時(shí)的組織相變差異，起到調(diào)控相變細(xì)化組織以提升綜合性能的作用。

5、表1?本發(fā)明成分設(shè)計(jì)思路

6、

7、進(jìn)一步，上述低成本中強(qiáng)高韌鈦合金的制備方法，具體通過(guò)如下步驟來(lái)完成：

8、步驟1）、將海綿鈦、fe顆粒、cr顆粒、ti-50si顆粒和tio2粉末進(jìn)行混合，然后壓制，得到電極塊；

9、步驟2）、將步驟1）得到的電極塊按常規(guī)方式進(jìn)行真空焊接，得到鈦合金長(zhǎng)電極；

10、步驟3）、將步驟2）得到的長(zhǎng)電極在真空自耗電弧爐中經(jīng)過(guò)兩次及以上的熔煉，得到合金鑄錠；

11、步驟4）、將步驟3）得到的鑄錠經(jīng)扒皮冒口鋸切后，在自由鍛造機(jī)上進(jìn)行多火次鍛造，獲得鈦合金棒材；

12、步驟5）、將步驟4）得到的棒材進(jìn)行常規(guī)熱處理，得到中強(qiáng)高韌鈦合金棒材。

13、進(jìn)一步，上述步驟3）獲得的合金鑄錠直徑為ф680mm-ф880mm，錠重為3000kg-7000kg。由于沒(méi)有過(guò)量的加入cr、fe元素，使得合金鑄錠的偏析能夠很好的得到控制，因此本發(fā)明可以生產(chǎn)出成分均勻的大規(guī)格大噸位鑄錠，這進(jìn)一步保障了產(chǎn)品制造的低成本化。

14、進(jìn)一步，上述步驟4）中的鍛造具體為：先在1000℃-1150℃開(kāi)坯鍛造，然后依次在相變點(diǎn)以上50℃-100℃及相變點(diǎn)以下20℃-50℃共進(jìn)行4-8火鍛造，獲得50mm-400mm直徑的棒材。其中，相變點(diǎn)以上開(kāi)坯鍛造是為了破碎鑄態(tài)組織，而相變點(diǎn)以下鍛造是為了進(jìn)一步調(diào)控棒材終態(tài)相含量、尺寸與分布。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備的有益效果如下：

16、本發(fā)明通過(guò)采用低成本的fe、cr、si替代高成本的v、mo等合金元素作為合金強(qiáng)化劑，使用強(qiáng)度相變點(diǎn)當(dāng)量設(shè)計(jì)方法與電子濃度設(shè)計(jì)方法，控制al、fe、cr的含量，耦合其作用，同時(shí)利用si進(jìn)一步細(xì)化調(diào)控組織，使得合金原料成本較最常用的tc4合金降低約20%，同時(shí)最終棒材的綜合性能尤其是韌性明顯優(yōu)于tc4合金，且無(wú)冶金組織缺陷。因此，該低成本鈦合金在航空、陸裝、民用車輛等場(chǎng)景，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。