一种制备中间合金强化的锆钛合金的方法
【专利说明】一种制备中间合金强化的锆钛合金的方法
[0001 ]技术领域本发明属于材料技术领域，特别涉及一种合金的制备方法。
【背景技术】 [0002] 锆和钛在元素中期表中属于同一主族，锆合金和钛合金具有很多相似 的特性，如强度高、耐蚀性好、耐热性好、生物相容性好等。金属锆具有中子吸收面积小、高 耐蚀性和高熔点（1860°C)等特性，使得其在核工业中得到了广泛的应用。钛合金具有高比 强度及优异的高温性能等特性，在机械自动化和航空工业中得到了重要应用。随着锆钛合 金种类的不断丰富和发展，锆钛合金作为工程结构件材料逐渐得到关注，其在许多方面尤 其是在航空航天工业领域中的应用越来越多。
[0003] 锆钛基合金的铸态组织粗大，为了提高其力学性能，通常是采用锻造手段，工业上 一般是经过三次以上的墩拔来细化原始的粗大晶粒，从而达到提高力学性能的目的。但这 种方法需要配套大型加热炉和锻造设备，而且锻造温度的控制困难。每次锻造之前，还需要 对上一次形成的锻坯进行车削加工或表面打磨以去除表面的氧化层，这些附加的工艺过程 都会导致锆钛基合金的制造周期和成本增加。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种能耗低、硼元素分布更加均匀的锆钛基合 金及其制备方法。本发明是以Zr-62Ti-5Al-3V合金为基础，以硼的中间合金Al-5Ti-lB取代 部分Zr-62T i -5A1-3V合金中的钛，经非自耗电弧熔炼炉熔炼，得到强化的锆钛基合金。
[0005] 本发明的中间合金强化的锆钛合金的原材料质量百分比(wt%)为:工业级海绵钛 (Ti)52~66、海绵锆(Zr)30、中间合金(Al-5Ti-lB)l~15、高纯钒(V)3,余量为不可避免的 杂质。
[0006] 上述中间合金强化的锆钛合金的制备方法如下：
[0007] 1、备料:将上述各种原材料放在无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净，然后将洗干 净的原料放入真空干燥箱中完全烘干；
[0008] 2、铸锭:将步骤1处理好的原材料放入非自耗真空电弧熔炼炉中，真空度为4X ΚΓ3 ~5 Xl(T3Pa，钨极引弧后，熔炼电极电流保持在200~300A，在此条件下反复熔炼5~6次，每 次熔炼时间为1.5~2分钟，每次熔炼完成之后，等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次 的熔炼，最后得到成分均匀的锆钛合金铸锭。
[0009] 性能检测：
[0010]用线切割在铸锭上切取φ =5mm，d=lmm的薄片，将薄片表面砂纸由粗到细打磨， 最后置于无水乙醇中用超声波震荡清洗5分钟，用吹风机低温吹干，将这一试样做DSC试验， 得到合金的相变起始温度和终止温度。
[0011] (1)热乳态拉伸
[0012] 由于铸锭尺寸小，无法切取拉伸试样，故先对铸锭进行热乳，获得平板状的合金试 样。在热乳前，先用游标卡尺确定铸锭的厚度，用铸锭在乳机上确定好乳辊的间距，使未变 形铸锭恰好可以通过乳辊间距。在此基础上，确定第一次乳制的下压量为1.35mm，每一道次 乳制完成后都调节下压量。将步骤2的合金铸锭在870°C的马弗炉中加热，保温30分钟，保证 铸锭完全热透。取出铸锭在乳制机上进行多道次乳制，铸锭乳制完成后将铸锭再放入马弗 炉中870°C保温5分钟，取出再进行同向乳制，即沿着上一次乳制的方向进行乳制，经过多次 乳制直至需要的厚度，空冷至室温。
[0013] 乳制在合金的两相区进行，乳制温度根据合金DSC试验结果确定。将乳制后的合金 加工成标准拉伸试样，测试其力学性能，本发明合金乳制后的室温拉伸力学性能为 ：：〇b 2 1427MPa，σ〇.2 2 l〇53MPa，δ 2 7 · 8 %。室温单轴拉伸试验在instron5982力学性能测试系统上 进行，拉伸速度为:〇.375mm/min。并用引伸计全程跟踪测量试样在拉伸过程中的长度变化。
[0014] (2)铸态压缩:上述部分合金铸锭切取高径比为2:1的压缩棒，用水砂纸沿径向将 压缩棒上的氧化皮磨掉，压缩棒两端同样磨去氧化皮。室温压缩试验在instron5982力学性 能测试系统上进行，压缩速度为:〇.18mm/min。并用引伸计全程跟踪测量试样在压缩过程中 的长度变化。
[0015]发现添加微量的硼元素后，在基体组织中形成Zr-B、Ti-B化物，可以有效细化锆钛 基合金的铸态组织，达到强化锆钛基合金力学性能的效果。但是直接添加金属硼，因其熔点 高(2300°C)，不易熔炼，增加熔炼能耗。为了克服纯金属硼熔点高、不易熔化的难题，将金属 硼以中间合金的形式加入到锆钛基合金中，因 Α1-5??-1Β中间合金熔点低，而且熔炼时硼的 加入量易控制，熔炼合金的成分均匀、晶粒组织细小。
[0016] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0017] 1、在同样加入硼元素的条件下，硼中间合金的熔点较金属硼低很多，减少熔炼能 耗，节约能源。
[0018] 2、以中间合金形式加入硼元素，可以更好地控制硼的加入量，而且硼元素在合金 中的分布更加均匀，避免硼元素的聚集。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明实施例1-4熔炼合金铸态X射线衍射图；
[0020]图2是本发明实施例3熔炼合金热乳后拉伸断口形貌扫描电镜图。
【具体实施方式】：
[0021] 实施例1
[0022] 取海绵钛52.8g、工业级海绵锆24g、铝钛硼中间合金0.8g、纯钒2.4g，将上述各种 原材料放在无水乙醇中，用超声波震荡清洗干净，然后将洗干净的原料放入真空干燥箱中 完全烘干;将烘干后的原料置于非自耗真空电弧熔炼炉中，真空度为5 Xl(T3Pa，钨极引弧 后，熔炼电极电流保持在200A，反复熔炼5遍，每次的熔炼时间为2分钟，每次熔炼完成之后， 等待铸锭高温的红热色退去，再进行下一次的熔炼，得到成分均匀的锆钛合金铸锭。
[0023] 如图1所示，可以看出这种新型的合金主要由α相和β相组成，经XRD分析并未发现 新相，说明合金元素很好的固溶进了合金基体中。
[0024]将熔炼好的合金铸锭在熔炼炉中冷却至室温后取出。用线切割在铸锭上切取Φ = 5mm，d=lmm的薄片，将薄片表面砂纸由粗到细打磨，最后置于无水乙醇中用超声波震荡清 洗5分钟，用吹风机低温吹干，将这一试样做DSC试验，得到合金的相变起