钛合金材料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种钛合金材料，特别是高强高韧钛合金材料。还涉及该钛合金材料的制备方法。
背景技术
对高速化及提高燃油效率的需求使得新型航空航天飞行器在设计中越来越多地采用综合力学性能更高的钛合金材料，此外，航天、兵器、船舶等武器装备的框梁类承力构件、承力螺栓等紧固件、高强度弹簧等弹性元件、航母弹射器与装甲等均对高强度高韧钛合金有着越来越迫切的需求。
高强度钛合金一般为亚稳β型钛合金，具有较好的可热处理强化特性、优异的可成型性、较大的比强度、较深的淬透性，并且可获得较高的强度-塑性-韧性匹配等优点。目前公知的超高强度钛合金有TB8(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)、TB9(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)、TB19(Ti-5Mo-5V-4Cr-2Zr-3Al)、TB20(Ti-5Mo-4V-2Cr-2Zr-1Fe-2Sn-3.5Al)等类型。在这几种钛合金中，除TB20钛合金的抗拉强度为1350MPa外，TB8钛合金、TB9钛合金、TB19钛合金的抗拉强度均不超过1250MPa，它们的抗拉强度都不能超过1500MPa，即使通过极端的热处理强化，使其抗拉强度达到或超过1500MPa，此时，钛合金的延伸率降到4％以下，不能满足实际应用中对超高强度高塑性钛合金的需求。
【发明内容】
为了克服现有技术钛合金抗拉强度低、塑性差的不足，本发明提供一种钛合金材料，经β相区固溶、两相区时效热处理后，可以在提高抗拉强度的同时，提高其延伸率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种钛合金材料，其特征在于：由下述重量百分比组成，其中，钼4～9％，铌3～6％，钽1～5％，铬2～5％，锆2～6％，铝1～4％，余量为钛和不可避免的杂质，杂质的重量百分比，铁≤0.5％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
一种上述钛合金材料的制备方法，其特点是包括下述步骤：
(a)按照下述重量百分比：钼4～9％，铌3～6％，钽1～5％，铬2～5％，锆2～6％，铝1～4％，余量为钛配料，经充分混料后，压制成块状电极；
(b)将至少两块块状电极用离子焊接组焊成长条状电极；
(c)将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行2～3次熔炼，浇铸钛合金锭；
(d)将步骤(c)制备的钛合金锭修整后，在950～1100℃条件下锻造成圆柱状坯料；
(e)坯料再经900～1000℃锻造、750～900℃轧制，制成钛合金棒材或板材；
(f)对钛合金棒材或板材进行β相区固溶、两相区时效热处理。
本发明的有益效果是：所制备的铝合金经β相区固溶、两相区时效热处理后，抗拉强度由现有技术的1250MPa提高到1500～1560MPa，同时延伸率由现有技术的4％以下提高到6～10％。具体力学性能见下表：
实施例 Rm(MPa) Rp0.2(MPa) A(％) Z(％) 实施例1 1010 980 17 63.5 实施例2 1010 970 18.5 64 实施例3 1560 1580 6 19 实施例4 1510 1470 10 28 实施例5 1560 1510 6 19 实施例6 1500 1460 8 27 实施例7 1510 1470 8 25 实施例8 1550 1510 6 20 实施例9 1530 1490 7 23
下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
【具体实施方式】
实施例1：钛合金的重量百分比组成为：
钼6.5％，铌4.5％，钽3％，铬3.5％，锆4％，铝2.5％余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤0.5％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，海绵锆，纯铝，纯铬，Ti-50％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为钼：6.5％、铌：4.5％、钽：3％、铬：3.5％、锆：4％、铝：2.5％进行充分混料后，用油压机压制成块状电极。
二、将三块电极用离子焊接组焊成长条状电极。
三、将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行2次熔炼，经合金成分析检测获得成品钛合金锭。
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、去头、垫底，在1100℃锻造成坯料。
五、坯料经1000℃锻造、825℃轧制成棒材。
六、经过860℃固溶处理后检测，Rm是1010MPa，Rp0.2是980MPa，A(％)是17，Z(％)是63.5。
实施例2：钛合金的重量百分比组成为：
钼4％，铌3％，钽1％，铬5％，锆4％，铝2.5％余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤0.2％，碳≤0.05％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，海绵锆，Ti-50％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为钼：4％、铌：3％、钽：1％、铬：5％、锆：4％、铝：2.5％进行充分混料后，用油压机压制成块状电极；
二、将两块块状电极用离子焊接组焊成长条状电极。
三、将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行3次熔炼，经合金成分析检测获得成品钛合金锭。
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、去头、垫底，在1050℃锻造成坯料。
五、坯料经950℃锻造、825℃轧制成板材。
六、经过900℃固溶处理后检测，Rm是1010MPa，Rp0.2是970MPa，A(％)是18.5，Z(％)是64。
实施例3：钛合金的重量百分比组成为：
钼9％，铌6％，钽5％，铬2％，锆4％，铝2.5％余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤0.5％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，海绵锆，Ti-50％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为钼：9％、铌：6％、钽：5％、铬：2％、锆：4％、铝：2.5％进行充分混料后，用油压机压制成块状电极。
二、将三块块状电极用离子焊接组焊成长条状电极。
三、将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行2。次熔炼，经合金成分析检测获得成品钛合金锭。
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、去头、垫底，在1000℃锻造成坯料。
五、坯料经900℃锻造、825℃轧制成棒材。
六、经过900℃固溶处理、500℃时效处理16h后检测，Rm是1560MPa，Rp0.2是1580MPa，A(％)是6，Z(％)是19。
实施例4：钛合金的重量百分比组成为：
钼9％，铌3％，钽1％，铬2％，锆4％，铝2.5％余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤0.2％，碳≤0.05％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，海绵锆，Ti-50％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为钼：9％、铌：3％、钽：1％、铬：2％、锆：4％、铝：2.5％进行充分混料后，用油压机压制成块状电极；
二、将四块块状电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行3次熔炼，经合金成分析检测获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、去头、垫底，在1100℃锻造成坯料；
五、坯料经1000℃锻造、750℃轧制成棒材或板材。
六、经过900℃固溶处理、300℃时效处理2h、500℃时效处理16h后检测，Rm是1510MPa，Rp0.2是1470MPa，A(％)是10，Z(％)是28。
实施例5：钛合金的重量百分比组成为：
钼4％，铌6％，钽5％，铬3.5％，锆4％，铝2.5％余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤0.5％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，海绵锆，Ti-50％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为钼：4％、铌：6％、钽：5％、铬：3.5％、锆：4％、铝：2.5％进行充分混料后，用油压机压制成块状电极。
二、将三块块状电极用离子焊接组焊成长条状电极。
三、将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行3次熔炼，经合金成分析检测获得成品钛合金锭。
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、去头、垫底，在1100℃锻造成坯料。
五、坯料经1000℃锻造、900℃轧制成棒材或板材。
六、经过860℃固溶处理、500℃时效处理16h后检测，Rm是1560MPa，Rp0.2是1510MPa，A(％)是6，Z(％)是19。
实施例6：钛合金的重量百分比组成为：
钼6.5％，铌4.5％，钽3％，铬3.5％，锆6％，铝1％余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤0.5％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，海绵锆，Ti-50％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为钼：6.5％、铌：4.5％、钽：3％、铬：3.5％、锆：6％、铝：1％进行充分混料后，用油压机压制成块状电极。
二、将四块块状电极用离子焊接组焊成长条状电极。
三、将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行3次熔炼，经合金成分析检测获得成品钛合金锭。
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、去头、垫底，在1100℃锻造成坯料。
五、坯料经950℃锻造、825℃轧制成棒材或板材。
六、经过860℃固溶处理、500℃时效处理16h后检测，Rm是1500MPa，Rp0.2是1460MPa，A(％)是8，Z(％)是27。
实施例7：钛合金的重量百分比组成为：
钼6.5％，铌4.5％，钽3％，铬3.5％，锆2％，铝4％余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤0.5％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，海绵锆，Ti-50％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为钼：6.5％、铌：4.5％、钽：3％、铬：3.5％、锆：2％、铝：4％进行充分混料后，用油压机压制成块状电极；
二、将五块块状电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行2次熔炼，经合金成分析检测获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、去头、垫底，在1050℃锻造成坯料；
五、坯料经950℃锻造、750℃轧制成棒材或板材。
六、经过860℃固溶处理、500℃时效处理16h后检测，Rm是1510MPa，Rp0.2是1470MPa，A(％)是8，Z(％)是25。
实施例8：钛合金的重量百分比组成为：
钼4％，铌3％，钽1％，铬5％，锆6％，铝1％余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤0.5％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，海绵锆，Ti-50％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为钼：4％、铌：3％、钽：1％、铬：5％、锆：6％、铝：1％进行充分混料后，用油压机压制成块状电极；
二、将六块块状电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行3次熔炼，经合金成分析检测获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、去头、垫底，在1050℃锻造成坯料；
五、坯料经950℃锻造、900℃轧制成棒材或板材。
六、经过860℃固溶处理、500℃时效处理16h后检测，Rm是1550MPa，Rp0.2是1510MPa，A(％)是6，Z(％)是20。
实施例9：钛合金地重量百分比组成为：
钼9％，铌6％，钽5％，铬2％，锆2％，铝4％余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤0.5％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.05％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，海绵锆，Ti-50％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为钼：9％、铌：6％、钽：5％、铬：2％、锆：2％、铝：4％进行充分混料后，用油压机压制成块状电极；
二、将五块块状电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、将长条状电极在真空自耗电弧炉中进行3次熔炼，经合金成分析检测获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、去头、垫底，在1000℃锻造成坯料；
五、坯料经950℃锻造、900℃轧制成棒材或板材。
六、经过860℃固溶处理、500℃时效处理16h后检测，Rm是1530MPa，Rp0.2是1490MPa，A(％)是7，Z(％)是23。
在发明过程中，实验室工作人员按照下述重量百分比：钼4～9％，铌3～6％，钽1～5％，铬2～5％，锆2～6％，铝1～4％，余量为钛进行配料，按照950～1100℃锻造坯料，坯料经900～1000℃锻造、750～900℃轧制，以及进行固溶、时效热处理，进行了多次试验验证，均取得了良好的效果。