本发明属于钛合金材料制造领域，特别是涉及一种高强度铸造用钛合金及其制备方法，应用技术领域包括航空、航天、武器装备制造等行业。
背景技术：
钛及钛合金因比强度高、耐蚀、可焊、耐高温、无磁性等优异的综合性能，在众多领域得到广泛应用。但相比之下，铸造钛合金的发展远远落后于变形钛合金。50年代变形钛合金已开始批量生产与应用，而钛合金铸件到60年代才开始应用于石化工业。钛铸件正式应用航空工业，已到了70年代，与变形钛合金在飞机上的应用，相差20年。目前，虽然变形钛合金仍占主导地位，但近年来，钛及钛合金铸件生产与应用仍保持着强劲的发展势头。实践证明，通过钛及钛合金的铸造可以直接制造形状复杂的零部件，免去大量的机械加工工序，提高材料的利用率。一般锻件的材料利用率仅有10％～15％，而一般铸件的利用率为45％，精密铸造则可达到75％～90％，这对价格较贵的钛及钛合金来说尤为重要。
很多国家的铸钛工业是为了满足航空、航天发展的需要建立起来的。目前在发达国家，铸钛的航空航天产品生产占50％以上。飞机襟翼滑轨、受力不太大的中小型结构件，包括支座、接头、框架和铰键构架等。钛合金精铸件的使用获得了满意的经济效果，钛合金铸件的质量不断提高，加上及十年的使用经验，钛合金铸件在飞机结构件的使用安全可靠性，已为设计人员普遍接受。航空发动机轴承壳体、支架、接头、转接圈、压气机机匣、钛合金精铸整体叶轮、发动机转子空心叶片钛合金精铸件等。导弹航天飞行器钛合金铸件在导弹上使用比较普遍，有尾翼、弹头壳体、火箭壳体及连接座等。航天飞行器和人造卫星使用的钛合金铸件主要是一些支座，板架与接头等结构件、人造卫星上照相机框架等。随着钛机钛合金铸件在飞机上应用的推广，不少的受力结构件也开始选用了钛铸件，波音飞机上吊装发动机的安装吊架，现在采用了ti-6al-4v的精铸件，我国飞机用支撑发动机的接头，波音777飞机上长达2.13m的ti-6242高温钛合金隔热屏，飞机刹车壳体钛合金铸件等。
目前，钛及钛合金铸件的使用范围还在扩展，更多的应用领域也在相继研究，但是可供设计选用的铸造钛合金品种仍然十分有限。应用最多的仍是工业纯钛、ztc4、zta15铸件，这些零件受力不大，大多是些在技术条件安全等级中的ⅱ、ⅲ类铸件。而关键结构铸件对材料强度的要求比较苛刻，大多要求材料强度达到1000mpa以上，而目前缺乏此类可应用的高强度铸造钛合金。
技术实现要素：
为了解决航空、航天、武器装备等行业对高强度铸造钛合金的需求，本发明的目的在于提供一种抗拉强度大于1100mpa、延伸率在大于8％的高强度铸造用钛合金材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高强度铸造钛合金，其特征在于，该铸造钛合金的组分为ti-al-sn-zr-mo-cr-nb-fe-o，质量百分比组成为：al：5.2％～6.8％、sn：1.6％～2.5％、zr：1.6％～2.5％、mo：2.2％～4.0％、nb：0.8％～2.3％、cr：0.8％～2.2％，fe：0.1％～0.4％，o：≤0.20、c：≤0.08％、n：≤0.05％、h：≤0.015％，余量为钛。
一种高强度铸造钛合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将海绵钛、铝豆、铝钼合金、铌钛合金、海绵锆、钛锡合金、金属铬按照质量百分比al：5.2％～6.8％、sn：1.6％～2.5％、zr：1.6％～2.5％、mo：2.2％～4.0％、nb：0.8％～2.3％、cr：0.8％～2.2％，fe：0.1％～0.4％，o：≤0.20、c：≤0.08％、n：≤0.05％、h：≤0.015％，余量为钛，进行配混料，压制成长条状电极块；
2)将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)将步骤2)制备的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，获得二次锭；
5)将二次锭冷却到400℃以下出炉；
6)将二次锭锻造成铸造母合金电极；
7)进行蜡模制造，并进行修型、组合以及除油；
8)经过面层及背层涂挂、脱蜡工序制备模壳；
9)进行浇注；
10)铸件出炉后待温度冷却至200℃以下时进行清壳；
11)对铸件进行热处理，得到高强度铸造钛合金。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中采用压力机压制成长条状电极块。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中采用离子焊或真空电子束焊。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中熔炼电压为26～32v，熔炼电流为8～10ka。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中熔炼的电压为28～36，熔炼电流为10～12ka。
本发明进一步的改进在于，步骤8)中对模壳进行低温焙烧及高温焙烧。
本发明进一步的改进在于，低温焙烧为：先在160～200℃焙烧8～12h，再升温至260～300℃焙烧8～12h，随炉冷却至160～190℃再出炉冷却；高温焙烧为：在480℃～520℃焙烧1～2h，随炉升温至680℃～720℃焙烧1～3h，再随炉升温至1000℃～1040℃焙烧3～5h，强风冷却至280℃后随炉冷却至180℃出炉冷却。
本发明进一步的改进在于，步骤9)中采用真空自耗凝壳炉进行浇注。
本发明进一步的改进在于，步骤11)中热处理制度为：900℃～930℃×2h，空冷+560～590℃×4h，空冷。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本铸造钛合金通过cr、fe等慢共析β稳定元素的含量，来提高其固溶强化作用，同时通过mo和nb等β同晶元素来稳定β相，抑制高温时的共析反应导致的合金高温性能变差，经过优化的铸造工艺及热处理制度可获得铸造性能良好，且综合力学性能优异的高强铸造钛合金，该合金可以满足航空、航天、武器装备等工业复杂结构零部件的高强度需求，填补1100mpa以上铸造用钛合金的技术空白。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步详细描述，本发明中％表示质量百分含量。
本发明的铸造钛合金的组分为ti-al-sn-zr-mo-cr-nb-fe，其质量百分比组成为：al：5.2％～6.8％、sn：1.6％～2.5％、zr：1.6％～2.5％、mo：2.2％～4.0％、nb：0.8％～2.3％、cr：0.8％～2.2％，fe：0.1％～0.4％，o：≤0.20、c：≤0.08％、n：≤0.05％、h：≤0.015％，余量为钛。
上述合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将海绵钛、铝豆、铝钼合金、铌钛合金、海绵锆、钛锡合金、金属铬按照组分含量进行配混料，使用压力机及模具将原料压制成长条状电极块；
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制备的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭，熔炼电压为26～32v，熔炼电流为8～10ka；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭，熔炼电压为28～36v，熔炼电流为10～12ka；
5)将铸锭冷却到400℃以下出炉；
6)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试；
7)将铸锭锻造成所需尺寸的铸造母合金电极。
8)根据铸件图纸进行蜡模制造，并进行修型、组合、除油、检验。
9)经过面层及背层涂挂、脱蜡等工序制备模壳。面层采用氧化钇涂料，粘结剂采用二醋酸锆。背层涂挂8～10层，料浆采用硅溶胶配制。
10)采用低温焙烧炉对步骤9)得到的模壳进行预焙烧，先在160～200℃焙烧8～12h，再升温至260～300℃焙烧8～12h，随炉冷却至160～190℃再出炉冷却。
11)采用高温焙烧炉对模壳进行高温焙烧，先在480℃～520℃焙烧1～2h，随炉升温至680℃～720℃焙烧1～3h，再随炉升温至1000℃～1040℃焙烧3～5h，强风冷却至280℃后随炉冷却至180℃出炉冷却。
12)采用真空自耗凝壳炉进行浇注。
13)铸件出炉后应待温度冷却至200℃以下时进行清壳。
14)对铸件进行热处理，热处理制度为：900℃～930℃×2h，空冷+560～590℃×4h，空冷。
15)对铸件进行x射线检验、室温及高温力学性能检测。
实施例1
以ti-6.0al-1.8sn-1.8zr-3.0mo-1.5cr-1.2nb-0.2fe钛合金铸件制备为例
1)将海绵钛、铝豆、铝钼合金、铌钛合金、海绵锆、钛锡合金、金属铬按照组分含量进行配混料，使用压力机及模具将原料压制成长条状电极块。
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制备的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭，熔炼电压为26v，熔炼电流为8ka；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭，熔炼电压为28v，熔炼电流为10ka；
5)将铸锭冷却到400℃以下出炉。
6)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试，见表1。
表1化学成分检测结果
7)将铸锭锻造成所需尺寸的铸造母合金电极。
8)根据铸件图纸进行蜡模制造，并进行修型、组合、除油、检验。
9)经过面层及背层涂挂、脱蜡等工序制备模壳。面层采用氧化钇涂料，粘结剂采用二醋酸锆。背层涂挂8～10层，料浆采用硅溶胶配制。
10)采用低温焙烧炉对步骤9得到的模壳进行预焙烧，先在在160℃焙烧8h，再升温至260℃焙烧8h，随炉冷却至160℃再出炉冷却。
11)采用高温焙烧炉对模壳进行高温焙烧，先在480℃焙烧1h，随炉升温至680℃焙烧1h，再随炉升温至1000℃焙烧3h，强风冷却至280℃后随炉冷却至180℃出炉冷却。
12)采用真空自耗凝壳炉进行浇注。
13)铸件出炉后应待温度冷却至200℃以下时进行清壳。
14)对铸件进行热处理，热处理制度为：900℃×2h，空冷+560℃×4h，空冷。
15)对铸件进行x射线检验、室温及高温力学性能检测。检测结果表明铸件内部未发现超标缺陷。铸件力学室温及高温力学性能见表2。
表2铸件力学性能检测结果
实施例2
以ti-5.8al-2.0sn-2.0zr-2.8mo-1.2cr-1.4nb-0.20fe钛合金铸件制备为例
1)将海绵钛、铝豆、铝钼合金、铌钛合金、海绵锆、钛锡合金、金属铬按照组分含量进行配混料，使用压力机及模具将原料压制成长条状电极块。
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制备的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭，熔炼电压为27v，熔炼电流为9ka；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭，熔炼电压为29v，熔炼电流为11ka；
5)将铸锭冷却到400℃以下出炉。
6)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试，见表3。
表3铸锭化学成分
7)将铸锭锻造成所需尺寸的铸造母合金电极。
8)根据铸件图纸进行蜡模制造，并进行修型、组合、除油、检验。
9)经过面层及背层涂挂、脱蜡等工序制备模壳。面层采用氧化钇涂料，粘结剂采用二醋酸锆。背层涂挂8层，料浆采用硅溶胶配制。
10)采用低温焙烧炉对步骤9得到的模壳进行预焙烧，先在180℃焙烧8h，再升温至280℃焙烧10h，随炉冷却至160℃再出炉冷却。
11)采用高温焙烧炉对模壳进行高温焙烧，先在490℃焙烧1.5h，随炉升温至690℃焙烧2h，再随炉升温至1020℃焙烧3h，强风冷却至280℃后随炉冷却至180℃出炉冷却。
12)采用真空自耗凝壳炉进行浇注。
13)铸件出炉后应待温度冷却至200℃以下时进行清壳。
14)对铸件进行热处理，热处理制度为：920℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷。
15)对铸件进行x射线检验、室温及高温力学性能检测。检测结果表明铸件内部未发现超标缺陷。铸件力学室温及高温力学性能见表4。
表4铸件力学性能检测结果
实施例3
以ti-6.0al-2.2sn-2.0zr-2.8mo-1.5cr-1.2nb-0.2fe钛合金铸件制备为例
1)将海绵钛、铝豆、铝钼合金、铌钛合金、海绵锆、钛锡合金、金属铬按照组分含量进行配混料，使用压力机及模具将原料压制成长条状电极块。
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制备的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭，熔炼电压为28v，熔炼电流为10ka；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭，熔炼电压为31v，熔炼电流为12ka；
5)将铸锭冷却到400℃以下出炉。
6)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试，见表5。
表5铸锭化学成分
7)将铸锭锻造成所需尺寸的铸造母合金电极。
8)根据铸件图纸进行蜡模制造，并进行修型、组合、除油、检验。
9)经过面层及背层涂挂、脱蜡等工序制备模壳。面层采用氧化钇涂料，粘结剂采用二醋酸锆。背层涂挂10层，料浆采用硅溶胶配制。
10)采用低温焙烧炉对步骤9得到的模壳进行预焙烧，先在180℃焙烧9h，再升温至290℃焙烧8h，随炉冷却至180℃再出炉冷却。
11)采用高温焙烧炉对模壳进行高温焙烧，先在490℃焙烧1.5h，随炉升温至690℃焙烧3h，再随炉升温至1010℃焙烧4h，强风冷却至280℃后随炉冷却至180℃出炉冷却。
12)采用真空自耗凝壳炉进行浇注。
13)铸件出炉后应待温度冷却至200℃以下时进行清壳。
14)对铸件进行热处理，热处理制度为：930℃×2h，空冷+580℃×4h，空冷。
15)对铸件进行x射线检验及力学性能检验。检测结果表明铸件内部未发现超标缺陷。铸件力学室温及高温力学性能见表6。
表6铸件力学性能检测结果
实施例4
以ti-6.2al-2.0sn-1.8zr-3.2mo-1.7cr-1.2nb-0.2fe钛合金铸件制备为例
1)将海绵钛、铝豆、铝钼合金、铌钛合金、海绵锆、钛锡合金、金属铬按照组分含量进行配混料，使用压力机及模具将原料压制成长条状电极块。
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制备的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭，熔炼电压为30v，熔炼电流为10ka；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭，熔炼电压为34v，熔炼电流为12ka；
5)将铸锭冷却到400℃以下出炉。
6)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试，见表7。
表7铸锭化学成分
7)将铸锭锻造成所需尺寸的铸造母合金电极。
8)根据铸件图纸进行蜡模制造，并进行修型、组合、除油、检验。
9)经过面层及背层涂挂、脱蜡等工序制备模壳。面层采用氧化钇涂料，粘结剂采用二醋酸锆。背层涂挂10层，料浆采用硅溶胶配制。
10)采用低温焙烧炉对步骤9得到的模壳进行预焙烧，先在200℃焙烧8h，再升温至300℃焙烧10h，随炉冷却至170℃再出炉冷却。
11)采用高温焙烧炉对模壳进行高温焙烧，先在510℃焙烧1h，随炉升温至710℃焙烧1h，再随炉升温至1030℃焙烧3h，强风冷却至280℃后随炉冷却至180℃出炉冷却。
12)采用真空自耗凝壳炉进行浇注。
13)铸件出炉后应待温度冷却至200℃以下时进行清壳。
14)对铸件进行热处理，热处理制度为：930℃×2h，空冷+590℃×4h，空冷。
15)对铸件进行x射线检验及力学性能检验。检测结果表明铸件内部未发现超标缺陷。铸件力学室温及高温力学性能见表8。
表8铸件力学性能检测结果
实施例5
以ti-5.4al-1.8sn-1.8zr-3.8mo-2.0cr-0.9nb-0.15fe钛合金铸件制备为例
1)将海绵钛、铝豆、铝钼合金、铌钛合金、海绵锆、钛锡合金、金属铬按照组分含量进行配混料，使用压力机及模具将原料压制成长条状电极块；
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制备的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭，熔炼电压为32v，熔炼电流为10ka；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭，熔炼电压36v，熔炼电流为12ka；
5)将铸锭冷却到400℃以下出炉；
6)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试；
表9铸锭化学成分
7)将铸锭锻造成所需尺寸的铸造母合金电极。
8)根据铸件图纸进行蜡模制造，并进行修型、组合、除油、检验。
9)经过面层及背层涂挂、脱蜡等工序制备模壳。面层采用氧化钇涂料，粘结剂采用二醋酸锆。背层涂挂8～10层，料浆采用硅溶胶配制。
10)采用低温焙烧炉对步骤9得到的模壳进行预焙烧，先在200℃焙烧10h，再升温至280℃焙烧9h，随炉冷却至190℃再出炉冷却。
11)采用高温焙烧炉对模壳进行高温焙烧，先在480℃焙烧1.5h，随炉升温至700℃焙烧3h，再随炉升温至1040℃焙烧3h，强风冷却至280℃后随炉冷却至180℃出炉冷却。
12)采用真空自耗凝壳炉进行浇注。
13)铸件出炉后应待温度冷却至200℃以下时进行清壳。
14)对铸件进行热处理，热处理制度为：900℃×2h，空冷+560×4h，空冷。
15)对铸件进行x射线检验、室温及高温力学性能检测。
表10铸件力学性能检测结果
实施例6
以ti-5.8al-2.4sn-2.3zr-2.8mo-1.8cr-2.2nb-0.30fe钛合金铸件制备为例
1)将海绵钛、铝豆、铝钼合金、铌钛合金、海绵锆、钛锡合金、金属铬按照组分含量进行配混料，使用压力机及模具将原料压制成长条状电极块；
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制备的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭，熔炼电压为32v，熔炼电流为10ka；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭，熔炼电压36v，熔炼电流为12ka；
5)将铸锭冷却到400℃以下出炉；
6)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试；
表11铸锭化学成分
7)将铸锭锻造成所需尺寸的铸造母合金电极。
8)根据铸件图纸进行蜡模制造，并进行修型、组合、除油、检验。
9)经过面层及背层涂挂、脱蜡等工序制备模壳。面层采用氧化钇涂料，粘结剂采用二醋酸锆。背层涂挂8～10层，料浆采用硅溶胶配制。
10)采用低温焙烧炉对步骤9得到的模壳进行预焙烧，在180℃焙烧12h，再升温至270℃焙烧12h，随炉冷却至170℃再出炉冷却。
11)采用高温焙烧炉对模壳进行高温焙烧，520℃焙烧2h，随炉升温至720℃焙烧1h，再随炉升温至1000℃焙烧5h，强风冷却至280℃后随炉冷却至180℃出炉冷却。
12)采用真空自耗凝壳炉进行浇注。
13)铸件出炉后应待温度冷却至200℃以下时进行清壳。
14)对铸件进行热处理，热处理制度为：930℃×2h，空冷+590℃×4h，空冷。
15)对铸件进行x射线检验、室温及高温力学性能检测。
表12铸件力学性能检测结果