本发明属于钛合金材料
技术领域：
，具体涉及一种可冷成型的高强高塑β钛合金材料及其管材、棒材和板材的制备方法。
背景技术：
：β型钛合金一般具有高的比强度和较低的弹性模量，同时兼有高韧性、高疲劳极限，以及优良的冷热加工性能，易锻造，可通过固溶时效处理获得较好的强塑性匹配。被广泛应用于航空航天、舰船、生物医疗等领域，是重要的结构材料之一。目前，典型的β钛合金有：ti-38644、ti-5553、ti-15-3、β-cez和ti-1023等，由于最初设计开发的应用目标不同，适于制备管材的β钛合金很少。由于β钛合金变形抗力大以及冷加工回弹大等特点，给β钛合金厚壁管材的冷加工增大了难度。厚壁管在时效强化处理后强度达到1200mpa以上时，塑性会大幅度降低，难以满足实用要求。所有在强度和冷加工性能等方面无法满足海军舰船以及航空航天领域对部分特殊性能材料的要求，世界各国对于提高管材的极限强度一直是一个热点。为满足我国航空、航天以及舰船等领域对高强钛合金管材(1250mpa以上)的需要，以国外先进成熟可靠、且使用过的β钛合金为基础，开展相关高强度高塑性适于冷加工的β钛合金材料研究，扩大推广我国β钛合金材料体系具有重要意义。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种可冷成型的高强高塑β钛合金材料。该β钛合金β稳定系数为1.36，mo当量为15.526。较多的β稳定元素可以获得足够的β相及提高β相的稳定性。本发明的β钛合金内添加有同晶型β稳定元素mo和nb，共析型β稳定元素cr、fe，以及中性元素zr和sn。添加3.5％～4.5％的mo，mo可以通过固溶强化使基体强化，mo的加入还可细化晶粒，这种晶粒细化效应，也能起到改善合金塑性的作用；添加2～5％nb，可以改善钛合金的冷加工性及耐腐蚀性。从成本上来说，共析型的β稳定元素cr、fe更有优势，而且其β稳定作用也更强，但是该类元素与钛形成的二元系中，存在共析转变，在含量高时有可能生成化合物相，引起脆性，而本发明中采用中性元素3.5～4.5％zr和1.5～2.5％sn避免出现上述的共析脆性。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可冷成型的高强高塑β钛合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：al3.5％～5.5％，mo3.5％～4.5％，cr1.5％～4.5％，zr3.5％～4.5％，sn1.5％～2.5％，fe1％～2％，nb2％～4％，余量为ti和不可避免的杂质；所述β钛合金的力学性能为：抗拉强度1250mpa～1450mpa，断后伸长率10％～18％，断面收缩率30％～55％，疲劳强度800mpa～1100mpa，所述β钛合金的冷加工变形量大于40％。上述的一种可冷成型的高强高塑β钛合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：al4％～5％，mo3.8％～4.2％，cr2％～4.1％，zr3.9％～4.1％，sn1.9％～2.1％，fe1.0％～1.5％，nb2.7％～3.5％，余量为ti和不可避免的杂质。上述的一种可冷成型的高强高塑β钛合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：al5％，mo4％，cr2％，zr4％，sn2％，fe1.5％，nb3％，余量为ti和不可避免的杂质。上述的一种可冷成型的高强高塑β钛合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：al5％，mo4％，cr4％，zr4％，sn2％，fe1.5％，nb3％，余量为ti和不可避免的杂质。上述的一种可冷成型的高强高塑β钛合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：al4％，mo4％，cr4％，zr4％，sn2％，fe1.5％，nb3％，余量为ti和不可避免的杂质。本发明高强高塑β钛合金的制备方法包括以下步骤：步骤一、将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中所述β钛合金铸锭在温度为1000℃～1100℃的条件下进行β相区的开坯锻造，锻造成方坯；步骤三、然后将步骤二中所述方坯轧制成β钛合金棒材、β钛合金管材或β钛合金板材，β钛合金棒材、β钛合金管材和β钛合金板材经固溶时效处理，获得强度与塑性的良好匹配的β钛合金材料。本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明的新型β钛合金在固溶状态具有较好的冷加工性能，可以加工成管材及板材等，冷变形量达到40％以上。同时具有较好的热加工性，可以制成锻件、棒材等。本发明的一种适合于冷加工的高强高塑近β钛合金经固溶时效后的室温强度与塑性匹配关系为rm＝1250mpa～1450mpa，a＝10％～18％，z＝30％～55％，疲劳强度：800mpa～1100mpa。2、本发明的β钛合金材料可以制成高强高塑的β钛合金管材、β钛合金棒材和β钛合金板材等产品。下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。具体实施方式实施例1本实施例的一种可冷成型的高强度高韧性β钛合金管材，由以下质量百分含量的成分组成：al：5.2％，mo：4.2％，cr：4.1％，zr：3.9％，sn2.1％，fe：1.7％，nb：3.5％，余量为ti和不可避免的杂质。本实施例的高强度高韧性β钛合金管材制备方法包括以下步骤：步骤一、将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中得到的β钛合金铸锭在温度为1100℃的条件下进行β相区的开坯锻造，锻造成方坯，然后将方坯在两相区(温度为830℃)进行三镦三拔后滚圆成棒坯，再将所述棒坯通过钻孔机加工成挤压管坯；步骤三、将步骤二加工成的挤压管坯在两相区(830℃)热挤压成冷轧管坯，将所述冷轧管坯进行固溶处理；步骤四、将步骤三所述的固溶处理后的冷轧管坯在冷轧机组上完成两辊大变形量开坯轧制，总变形量为42.5％，随后采用小角度多辊精轧成β钛合金管材成品；步骤五、将步骤四得到的β钛合金管材成品加热到800℃保温1小时，然后空冷的固溶处理，以及580℃保温8小时空冷的时效热处理，β钛合金管材成品在800℃/1hac+580℃/8hac条件下热处理后所获得的β钛合金管材成品的力学性能为rm＝1334mpa，a＝17.5％，z＝52％；疲劳强度为989.9mpa(周次107，r＝0.1)。实施例2本实施例的高强度高韧性β钛合金管材，由以下质量百分含量的成分组成：al：5％，mo：4％，cr：2％，zr：4％，sn：2％，fe：1.5％，nb：3％，余量为ti和不可避免的杂质。本实施例的高强度高韧性β钛合金管材制备方法包括以下步骤：步骤一、将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中得到的β钛合金铸锭在温度为1100℃的条件下进行β相区的开坯锻造，锻造成方坯，然后将方坯在两相区(温度为830℃)进行三镦三拔后滚圆成棒坯，再将所述棒坯通过钻孔机加工成挤压管坯；步骤三、将步骤二加工成的挤压管坯在两相区(830℃)热挤压成冷轧管坯，将所述冷轧管坯进行固溶处理；步骤四、将步骤三所述的固溶处理后的冷轧管坯在冷轧机组上完成两辊大变形量开坯轧制，变形量41.7％；随后采用小角度多辊精轧成β钛合金管材成品；步骤五、将步骤四得到的β钛合金管材成品加热到830℃保温1小时空冷的固溶处理及550℃保温8小时空冷的时效热处理，合金在830℃/1hac+550℃/8hac条件下热处理后所获得的β钛合金管材成品的室温力学性能rm＝1285mpa，a＝15％，z＝39％；疲劳强度为869.7mpa(周次107，r＝0.1)。实施例3本实施例的高强度高韧性β钛合金管材，由以下质量百分含量的成分组成：al：5％，mo：4％，cr：4％，zr：4％，sn：2％，fe：1.5％，nb：3％，余量为ti和不可避免的杂质。本实施例的高强度高韧性β钛合金管材制备方法包括以下步骤：步骤一、将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中得到的β钛合金铸锭在温度为1100℃的条件下进行β相区的开坯锻造，锻造成方坯，然后将方坯在两相区(温度为830℃)进行三镦三拔后滚圆成棒坯，再将所述棒坯通过钻孔机加工成挤压管坯；步骤三、将步骤二加工成的挤压管坯在两相区(830℃)热挤压成冷轧管坯，将所述冷轧管坯进行固溶处理；步骤四、将步骤三所述的固溶处理后的冷轧管坯在冷轧机组上完成两辊大变形量开坯轧制，变形量40.7％；随后采用小角度多辊精轧成β钛合金管材成品；步骤五、将步骤四得到的β钛合金管材成品加热到830℃保温1小时空冷的固溶处理及600℃保温8小时空冷的时效热处理，β钛合金合金管材在830℃/1hac+600℃/8hac条件下热处理后所获得的β钛合金管材成品的室温力学性能rm＝1255mpa，a＝16.5％，z＝44％；疲劳强度为830.5mpa(周次107，r＝0.1)。实施例4本实施例的高强度高韧性β钛合金管材，由以下质量百分含量的成分组成：al：4％，mo：4％，cr：4％，zr：4％，sn：2％，fe：1.5％，nb：3％，余量为钛和不可避免的杂质。本实施例的高强度高韧性β钛合金管材制备方法包括以下步骤：步骤一、将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中得到的β钛合金铸锭在温度为1100℃的条件下进行β相区的开坯锻造，锻造成方坯，然后将方坯在两相区(温度为830℃)进行三镦三拔后滚圆成棒坯，再将所述棒坯通过钻孔机加工成挤压管坯；步骤三、将步骤二加工成的挤压管坯在两相区(830℃)热挤压成冷轧管坯，将所述冷轧管坯进行固溶处理；步骤四、将步骤三得到的固溶处理后的冷轧管坯在冷轧机组上完成两辊大变形量开坯轧制，变形量42.9％；随后采用小角度多辊精轧成成品管材；步骤五、将步骤四所述的冷轧管材到830℃保温1小时水淬的固溶处理及570℃保温8小时水淬的时效热处理，合金在830℃/1hwq+570℃/8hwq条件下热处理后所获得的β钛合金管材成品的室温力学性能rm＝1386mpa，a＝13.5％，z＝51％；疲劳强度为1025.3mpa(周次107，r＝0.1)。在实施例1～实施例4中步骤二中得到的挤压管坯上取相同尺寸的试样，固溶处理后进行室温力学性能测试，检测结果见表1。表1实施例1～实施例4挤压管坯固溶处理后的力学性能项目热处理制度rm(mpa)rp0.2(mpa)a(％)z(％)实施例1830/1hac10209982356实施例2860/1hac10209772252实施例3830/1hwq10069782751实施例4860/1hwq11367961736由表1中力学性能数据可以看出，本发明的β钛合金经固溶处理后仍然具有较好的塑性，说明本发明的β钛合金管材具有良好的室温强度与塑性的匹配。实施例5本实施例的高强度高韧性β钛合金板材，由以下质量百分含量的成分组成：al：5.5％，mo：4.4％，cr：4.2％，zr：4.3％，sn：2.4％，fe：1.9％，nb：3.9％，余量为钛和不可避免的杂质。本实施例的高强度高韧性β钛合金板材制备方法包括以下步骤：步骤一、按照上述质量百分含量的成分组成，将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中得到的β钛合金铸锭进行β相区的(1100℃)开坯锻造成方坯；步骤三、将步骤二得到的方坯在四辊可逆热轧机组上进行开坯轧制成冷轧板坯；步骤四、将步骤三所轧制的冷轧板坯在四辊可逆冷轧机组上进行板材冷轧，冷轧成3mm厚的β钛合金板材成品；所述冷轧道次变形量为17.2％，总变形量41.5％；步骤五、将步骤四中得到的β钛合金板材成品加热到830℃保温1小时空冷进行固溶处理，再加热至560℃保温8小时空冷进行时效热处理，β钛合金板材在830℃/1hac+560℃/8hac条件下热处理后所获得的β钛合金板材成品的室温力学性能rm＝1451mpa，a＝10.5％，z＝32％；疲劳强度为1009.5mpa(周次107，r＝0.1)。实施例6本实施例的高强度高韧性β钛合金板材，由以下质量百分含量的成分组成：al：3.9％，mo：3.9％，cr：3.1％，zr：4.1％，sn：1.8％，fe：1.3％，nb：2.7％，余量为钛和不可避免的杂质。本实施例的高强度高韧性β钛合金板材制备方法包括以下步骤：步骤一、按照上述质量百分含量的成分组成，将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中所述β钛合金铸锭进行β相区的(1100℃)开坯锻造成方坯；步骤三、将步骤二所述的方坯在四辊可逆热轧机组上进行开坯轧制成冷轧板坯；步骤四、将步骤三所述的冷轧板坯在四辊可逆冷轧机组上进行板材冷轧，冷轧成3mm后的β钛合金板材成品；冷轧道次变形量为15.6％，总变形量为40.2％；步骤五、将步骤四得到的β钛合金板材成品加热到800℃保温1小时空冷进行固溶处理，再加热至600℃保温8小时空冷进行时效热处理，β钛合金板材在800℃/1hac+600℃/8hac条件下热处理后所获得的β钛合金板材成品的室温力学性能rm＝1250mpa，a＝12.5％，z＝34％；疲劳强度为802.6mpa(周次107，r＝0.1)。实施例7本实施例的高强度高韧性β钛合金板材，由以下质量百分含量的成分组成：al：5.1％，mo：3.8％，cr：3.7％，zr：4.0％，sn：1.9％，fe：1.6％，nb：2.6％，余量为钛和不可避免的杂质。本实施例的高强度高韧性β钛合金板材制备方法包括以下步骤：步骤一、按照上述质量百分含量的成分组成，将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中所述铸锭进行β相区的开坯锻造成方坯，开坯锻造的温度为1100℃；步骤三、将步骤二所述的方坯在四辊可逆热轧机组上进行开坯轧制成冷轧板坯；步骤四、将步骤三所述的冷轧板坯在四辊可逆冷轧机组上进行板材冷轧，冷轧成3mm的β钛合金板材成品；冷轧道次变形量为16.1％，总变形量为40.9％；步骤五、将步骤四得到的β钛合金板材成品加热到800℃保温1小时空冷进行固溶处理，再加热至550℃保温8小时空冷进行时效热处理，β钛合金合金板材在800℃/1hac+550℃/8hac条件下热处理后所获得的β钛合金板材成品的室温力学性能rm＝1399mpa，a＝9.5％，z＝29％；疲劳强度为993.8mpa(周次107，r＝0.1)。实施例8本实施例的高强度高韧性β钛合金棒材，由以下质量百分含量的成分组成：al：5％，mo：4％，cr：3％，zr：4％，sn：2％，fe：2％，nb：2％，余量为ti和不可避免的杂质。本实施例的高强度高韧性β钛合金棒材的制备方法包括以下步骤：步骤一、将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中所述β钛合金铸锭在温度为1000℃～1100℃的条件下进行β相区的开坯锻造，锻造成方坯；步骤三、将步骤二中所述方坯在轧制成两相区(相变点以下30℃～50℃)三镦三拔后滚圆至φ150mm的β钛合金棒材。本实施例的φ150mm的β钛合金棒材经800℃/1hac+600℃/8hac的热处理后，其力学性能为：rm＝1289mpa，rp0.2＝1227mpa，a＝10.5％，z＝33％由此说明本发明的β钛合金棒材具有高的拉伸强度和高的屈服强度。实施例9本实施例的高强度高韧性β钛合金棒材，由以下质量百分含量的成分组成：al：5％，mo：4％，cr：3％，zr：4％，sn：2％，fe：2％，nb：2％，余量为ti和不可避免的杂质。本实施例的高强度高韧性β钛合金棒材的制备方法包括以下步骤：步骤一、将零级海绵钛和hzr-1级海绵锆、铝豆、al-60％mo、ti-80sn、jcr99-a级cr、fe钉以及al-70％nb混合压制成电极块，然后将所述电极块焊接成电极，将电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3次得到β钛合金铸锭；步骤二、对步骤一中所述β钛合金铸锭在温度为1000℃～1100℃的条件下进行β相区的开坯锻造，锻造成方坯；步骤三、将步骤二中所述方坯在轧制成两相区(相变点以下30℃～50℃)热轧成φ18mm的β钛合金棒材。本实施例的φ18mm的β钛合金棒材经800℃/1hac+570℃/8hac的热处理后，其力学性能为：rm＝1355mpa，rp0.2＝1283mpaa＝13.5％，z＝44％，由此说明本发明的β钛合金棒材具有高的拉伸强度和高的屈服强度。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。当前第1页12