本發(fā)明涉及一種鈦合金及其型材制備方法，特別是涉及一種低釩低鉬、超低釩超低鉬或無(wú)釩無(wú)鉬的單相態(tài)鈦合金及其型材制備方法，應(yīng)用于低成本鈦合金材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

此外，鈦及鈦合金因無(wú)毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高且具有優(yōu)良的生物相容性等特點(diǎn)成為了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里非常理想的醫(yī)用金屬材料，可用作植入人體的植入物等。

α 合金在室溫和使用溫度下具有 α 型單相態(tài)，不能熱處理強(qiáng)化，主要依靠固溶強(qiáng)化。室溫強(qiáng)度一般低于 β 型和 α+β 型鈦合金，而在500-600℃高溫下的強(qiáng)度卻是三類鈦合金中最高的，且組織穩(wěn)定，抗氧化性和焊接性能好，耐蝕性和可切削加工性能也較好，但室溫沖壓性能差，塑性低，而熱塑性仍然良好。其中使用最廣的是TA7，它在退火狀態(tài)下具有中等強(qiáng)度和足夠的塑性，焊接性能良好，可在500℃以下使用，當(dāng)其氧、氫、氮等間隙雜質(zhì)元素含量極低時(shí)，在超低溫時(shí)還具有良好的韌性和綜合力學(xué)性能，是優(yōu)良的超低溫合金之一，但其強(qiáng)度還不夠理想，加工工藝塑性也不太理想，影響了其有關(guān)材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金及其板材和棒材的制備方法，使用了廉價(jià)的合金元素Fe、Cr、Zr作為鈦合金的強(qiáng)化元素，本發(fā)明 α 鈦合金的室溫強(qiáng)度不低于1000Mpa，利用本發(fā)明可以進(jìn)一步擴(kuò)大 α 鈦合金的使用范圍。

為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：5.0-7.0wt%的鋁，0.3-1.0wt%的鐵，3.0-4.0wt%的鉻、0.3-1.0wt%的鋯，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，其組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：5.99-6.11wt%的鋁、0.73-0.81wt%的鐵、3.5-3.69wt%的鉻、0.77-0.87wt%的鋯、0-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氫，余量為鈦。

作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，其組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯、0-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氫，余量為鈦。

一種含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的板材制備方法，當(dāng)將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料時(shí)，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：5.0-7.0wt%的鋁，0.3-1.0wt%的鐵，3.0-4.0wt%的鉻、0.3-1.0wt%的鋯，余量為鈦，將完成配料后的各原料組分材料置入箱式電阻爐中，在箱式電阻爐中，對(duì)各原料組分材料進(jìn)行預(yù)處理，在120-150℃的預(yù)處理溫度下保溫10-12 h，然后再將各原料組分材料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉3-5次制成鑄錠，再將所得鑄錠加熱到780-820℃，在橫列式軋機(jī)上將鑄錠軋制成厚度為6-8mm的 α 鈦合金板材。優(yōu)選采用真空退火的熱處理方式對(duì)所制備的 α 鈦合金板材進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為500-520℃，保溫時(shí)間為1.5-2.5 h，冷卻方式為空冷。

一種含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的棒材制備方法，當(dāng)將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料時(shí)，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：5.0-7.0wt%的鋁，0.3-1.0wt%的鐵，3.0-4.0wt%的鉻、0.3-1.0wt%的鋯，余量為鈦，將完成配料后的各原料組分材料混合后采用擠壓法制成電極塊，然后在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空電極，然后通過(guò)3-5次真空自耗電極電弧熔煉制成鑄錠，鑄錠在1000-1100℃溫度下經(jīng)過(guò)開(kāi)坯鍛造成直徑Φ40-50 mm的軋制棒坯，然后棒坯加熱到780-820℃，在橫列式軋機(jī)上軋制成直徑Φ18-20 mm的 α 鈦合金棒材。優(yōu)選采用真空退火的熱處理方式對(duì)所制備的 α 鈦合金棒材進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為500-520℃，保溫時(shí)間為1.5-2.5 h，冷卻方式為空冷。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：

1. 本發(fā)明制備的 α 鈦合金含有Fe、Cr、Zr合金元素，代替?zhèn)鹘y(tǒng)含鉬和釩的鈦合金，成本顯著降低，適用于更多對(duì)材料成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域；

2. 本發(fā)明 α 鈦合金退火后為 α 單相組織，其室溫強(qiáng)度不低于1000Mpa，高于TA7的室溫強(qiáng)度，利用本發(fā)明 α鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大 α 鈦合金的使用范圍。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下：

實(shí)施例一：

在本實(shí)施例中，一種含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其合金組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：5.99wt%的鋁、0.73wt%的鐵、3.52wt%的鉻、0.77wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。

本實(shí)施例含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的板材制備方法，首先將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：5.99wt%的鋁、0.73wt%的鐵、3.52wt%的鉻、0.77wt%的鋯，其它原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料置入箱式電阻爐中，在箱式電阻爐中，對(duì)各原料組分材料進(jìn)行預(yù)處理，在150℃的預(yù)處理溫度下保溫12 h，然后再將各原料組分材料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉4次制成鑄錠，再將所得鑄錠加熱到800℃，在橫列式軋機(jī)上將鑄錠軋制成厚度為6-8mm的 α 鈦合金板材；然后采用真空退火的熱處理方式對(duì)所制備的 α 鈦合金板材按表2的熱處理制度進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為520℃，保溫時(shí)間為2 h，冷卻方式為空冷，最終制成 α 鈦合金板材的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其合金組分含量見(jiàn)表1。然后參照GB/T228.1-2010，對(duì) α 鈦合金板材的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行室溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其力學(xué)性能測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

本實(shí)施例制備的 α 鈦合金板材的室溫抗拉強(qiáng)度大于1000Mpa，高于TA7的室溫強(qiáng)度，利用本實(shí)施例制備的 α 鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大 α 鈦合金的使用范圍。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于：

在本實(shí)施例中，一種含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其合金組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。

本實(shí)施例含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的板材制備方法，首先將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻、純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯，其它原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料置入箱式電阻爐中，在箱式電阻爐中，對(duì)各原料組分材料進(jìn)行預(yù)處理，在150℃的預(yù)處理溫度下保溫12 h，然后再將各原料組分材料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉4次制成鑄錠，再將所得鑄錠加熱到800℃，在橫列式軋機(jī)上將鑄錠軋制成厚度為6-8mm的 α 鈦合金板材；然后采用真空退火的熱處理方式對(duì)所制備的 α 鈦合金板材按表4的熱處理制度進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為520℃，保溫時(shí)間為2 h，冷卻方式為空冷，最終制成 α 鈦合金板材的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其合金組分含量見(jiàn)表3。然后參照GB/T228.1-2010，對(duì) α 鈦合金板材的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行室溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其力學(xué)性能測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

本實(shí)施例制備的 α 鈦合金板材的室溫抗拉強(qiáng)度大于1000Mpa，高于TA7的室溫強(qiáng)度，利用本實(shí)施例制備的 α 鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大 α 鈦合金的使用范圍。

實(shí)施例三：

本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于：

在本實(shí)施例中，一種含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其合金組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：6.11wt%的鋁、0.81wt%的鐵、3.69wt%的鉻、0.87wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。

實(shí)施例含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的棒材制備方法，其特征在于，將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：6.11wt%的鋁、0.81wt%的鐵、3.69wt%的鉻、0.87wt%的鋯，其它原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料混合后采用擠壓法制成電極塊，然后在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空電極，然后通過(guò)4次真空自耗電極電弧熔煉制成鑄錠，鑄錠在1050℃溫度下經(jīng)過(guò)開(kāi)坯鍛造成直徑為Φ45mm的軋制棒坯，然后棒坯加熱到800℃，在橫列式軋機(jī)上軋制成直徑為Φ20mm的 α 鈦合金棒材；然后采用真空退火的熱處理方式對(duì)所制備的 α 鈦合金棒材按表6的熱處理制度進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為520℃，保溫時(shí)間為2h，冷卻方式為空冷，最終制成 α 鈦合金棒材的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其合金組分含量見(jiàn)表5。然后參照GB/T228.1-2010，對(duì) α 鈦合金棒材的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行室溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其力學(xué)性能測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6。

本實(shí)施例制備的 α 鈦合金棒材的室溫抗拉強(qiáng)度大于1000Mpa，高于TA7的室溫強(qiáng)度，利用本實(shí)施例制備的 α 鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大 α 鈦合金的使用范圍。

實(shí)施例四：

本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于：

在本實(shí)施例中，一種含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其合金組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。

實(shí)施例含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的α鈦合金的棒材制備方法，其特征在于，將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進(jìn)行配料，按照下述原料組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，進(jìn)行原料組分材料稱量：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯，其它原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料混合后采用擠壓法制成電極塊，然后在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空電極，然后通過(guò)4次真空自耗電極電弧熔煉制成鑄錠，鑄錠在1050℃溫度下經(jīng)過(guò)開(kāi)坯鍛造成直徑為Φ45mm的軋制棒坯，然后棒坯加熱到800℃，在橫列式軋機(jī)上軋制成直徑為Φ20mm的α鈦合金棒材；然后采用真空退火的熱處理方式對(duì)所制備的 α 鈦合金棒材按表8的熱處理制度進(jìn)行軋制后熱處理，控制退火溫度為520℃，保溫時(shí)間為2h，冷卻方式為空冷，最終制成 α 鈦合金棒材的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其合金組分含量見(jiàn)表7。然后參照GB/T228.1-2010，對(duì) α 鈦合金棒材的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行室溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其力學(xué)性能測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表8。

本實(shí)施例制備的 α 鈦合金棒材的室溫抗拉強(qiáng)度大于1000Mpa，高于TA7的室溫強(qiáng)度，利用本實(shí)施例制備的 α 鈦合金能進(jìn)一步擴(kuò)大 α 鈦合金的使用范圍。

上面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明含F(xiàn)e、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金及其板材和棒材的制備方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。