本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

金屬鋯或金屬鈦具有相似的晶體結(jié)構(gòu)和相近的物理化學(xué)性能，與傳統(tǒng)的鋼鐵結(jié)構(gòu)材料相比，較低的密度、良好的耐腐蝕能力以及抗高溫能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常用的合金鋼等結(jié)構(gòu)材料。但純的金屬鋯或金屬鈦的力學(xué)性能不高，其抗拉強(qiáng)度大都在400MPa以下，無法作為結(jié)構(gòu)材料使用，其優(yōu)良的理化性能也無法得到充分的發(fā)揮。如果在金屬鋯或金屬鈦中加入鋁、釩或鈮等其它金屬元素，通過固溶強(qiáng)化等技術(shù)，可以使金屬鋯或金屬鈦的力學(xué)性能得到顯著的改善和提高。目前作為結(jié)構(gòu)材料使用比較多的鈦合金是TC4(具體成分為Ti6Al4V，wt％)合金，該合金具有較高的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度為900MPa)和耐高溫能力(適合在600℃環(huán)境下使用)，但該合金的不足是硬度較低(RHC28～32)，耐磨性能較差，不適合用來制造具有相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)件。另一種具有商業(yè)牌號的TC20(具體成分為Ti-6Al-7Nb，wt％)合金，主要是在生物醫(yī)用領(lǐng)域得到應(yīng)用，沒有被用作結(jié)構(gòu)材料來使用。常見的Zr-2或Zr-4等鋯合金也主要是在核工業(yè)中用作反應(yīng)堆中的包殼材料，在其他工業(yè)領(lǐng)域中作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的鋯合金并不多，而且成分有限。

目前工業(yè)生產(chǎn)的鑄態(tài)鈦合金或鋯合金，因其晶粒尺寸粗大而導(dǎo)致其強(qiáng)度較低，為了實(shí)現(xiàn)這類合金的強(qiáng)韌化，常用的工藝手段是通過開坯鍛造進(jìn)行形變強(qiáng)化來提高其力學(xué)性能。形變強(qiáng)化的原理是通過多次鐓拔的鍛造過程，使粗大的晶粒破碎變成細(xì)小的晶粒，同時輔以固溶淬火或退火等熱處理技術(shù)，使其力學(xué)性能得到改善和提高。以授權(quán)公告號為CN102260805 B和CN 102260807 B的兩個專利文獻(xiàn)為例，都是通過對鑄態(tài)的鈦鋯合金或鋯合金進(jìn)行多次的鐓拔變形后，再經(jīng)退火處理來改善和提高合金的強(qiáng)度。這兩個授權(quán)專利報道的合金強(qiáng)度分別為1028MPa和1292MPa。上述合金的制備技術(shù)均是采用對熔煉得到的鑄態(tài)合金進(jìn)行開坯鍛造，然后進(jìn)行多次鐓拔處理的工藝，因此導(dǎo)致工藝過程復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、制備成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種不需要鍛造變形工藝、可以縮短生產(chǎn)周期、降低制造成本、力學(xué)性能好的鑄態(tài)細(xì)晶高強(qiáng)度鈦鋯鋁鈮合金及其制備方法。

本發(fā)明的鑄態(tài)細(xì)晶高強(qiáng)度鈦鋯鋁鈮合金，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比(wt％)為：Zr：10～40；Al：5.6～6.5；Nb：6.25～7.26；Ti：46.8～77.4％，其余為不可避免的雜質(zhì)；

所述的各種成分的原材料分別為工業(yè)級海綿鋯和海綿鈦以及純鋁和純鈮。

上述鑄態(tài)細(xì)晶高強(qiáng)度鈦鋯鋁鈮合金的制備方法：

(1)中間合金的配制：由于金屬鋯和金屬鈮屬高熔點(diǎn)難熔金屬，如果直接將金屬鋯和金屬鈮與鈦、鋁等一起熔煉可能會造成無法完全熔融導(dǎo)致材料的組織性能不均勻，因此，在進(jìn)行鈦鋯鋁鈮合金的制備之前，先要配制鋯鈮中間合金；將金屬鋯與金屬鈮潔凈并干燥后，放入真空非自耗熔煉爐中的水冷銅坩堝內(nèi)，銅坩堝內(nèi)壁預(yù)先進(jìn)行清理并用酒精擦拭干凈，避免引入其他雜質(zhì)，熔煉過程中，利用真空系統(tǒng)將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，對鋯鈮中間合金進(jìn)行常規(guī)熔煉，至少反復(fù)熔煉6遍以確保鋯鈮中間合金成分均勻；

(2)鈦鋯鋁鈮合金的配制：根據(jù)中間合金中金屬鋯與金屬鈮的含量，利用鈦與金屬鋯和鈮無限互溶的特點(diǎn)，配備金屬鈦和金屬鋁；將步驟(1)的鋯鈮中間合金與金屬鈦和金屬鋁放入真空非自耗電弧爐的水冷坩堝中進(jìn)行熔煉，熔煉的工藝程序?yàn)?，將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，對鈦鋯鋁鈮合金進(jìn)行熔煉；

①首先在160～190A的電流下將原料熔煉為液態(tài)合金溶體，接著在200～240A的電流下熔煉2～3分鐘，接著采用在280～300A的電流下熔煉3～5分鐘。

②在1～1.8bar的范圍內(nèi)調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的壓強(qiáng)，通過改變冷卻水的壓強(qiáng)可間接調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的流動速度0.4～0.6m/s，達(dá)到調(diào)整水冷銅坩堝的冷卻能力，實(shí)現(xiàn)合金熔體凝固冷卻速率的控制300～400℃/min。改變?nèi)蹮掃^程的電流或改變水冷銅坩堝冷卻水的流動速度，可以間接改變液態(tài)合金熔體的溫度和水冷銅坩堝的凝固冷卻能力。其目的是控制合金熔體的溫度和凝固行為，以保證能獲得細(xì)小鑄態(tài)組織的高強(qiáng)度鈦鋯鋁鈮合金；

③在熔煉鑄鈦鋯鋁鈮合金時，至少要反復(fù)熔煉6遍以上，確保鈦鋯鋁鈮合金鑄錠的成分均勻。

本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)現(xiàn)有的鋯合金或鈦合金的制備技術(shù)中，鑄態(tài)的鋯合金(如鋯鈦鋁釩體系合金)或鈦合金(如TC4合金)因其組織粗大而導(dǎo)致其鑄態(tài)強(qiáng)度很低，必須通過鍛造變形使粗大的組織破碎進(jìn)行晶粒細(xì)化才能獲得要求的強(qiáng)度。本發(fā)明的鈦鋯鋁鈮合金，不用通過鍛造變形即可獲得較為細(xì)小的α相板條和等軸晶，由于不需要鍛造變形工藝過程，可以縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本；

(2)通過改變?nèi)蹮掃^程的電流或改變水冷銅坩堝冷卻水的流動速度，可以間接控制液態(tài)合金熔體的溫度和水冷銅坩堝的凝固冷卻能力。以實(shí)現(xiàn)快速冷卻來保證能獲得細(xì)小的α相板條和等軸晶混合的鑄態(tài)組織；

(3)獲得的鈦鋯鋁鈮合金的室溫單軸拉伸力學(xué)性能與對比文獻(xiàn)(王衛(wèi)民，羅斌莉.中國有色金屬學(xué)報,2013,23(1):s336-s342)報道的鈦合金(TC20合金)的力學(xué)性能相比，在鑄態(tài)條件下最大屈服強(qiáng)度可達(dá)1123MPa，最高抗拉強(qiáng)度為1490MPa，比對比文獻(xiàn)的845MPa和985MPa分別提高了32.90％和51.27％。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的鑄態(tài)細(xì)晶高強(qiáng)度鈦鋯鋁鈮合金的拉伸試樣尺寸圖。

圖2為實(shí)施例4制備的鈦鋯鋁鈮合金的金相光學(xué)顯微圖。

圖3為本發(fā)明制備的鑄態(tài)細(xì)晶高強(qiáng)度鈦鋯鋁鈮合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

(1)中間合金配制：先取工業(yè)級海綿鋯和純鈮的質(zhì)量比為9.3463g和純鈮6.5424g，將上述金屬鋯與金屬鈮潔凈并干燥后，放入真空非自耗熔煉爐(DHL-400型、中國科學(xué)院沈陽儀器研制中心有限公司)中的水冷銅坩堝內(nèi)，銅坩堝內(nèi)壁預(yù)先進(jìn)行清理并用酒精擦拭干凈，避免引入其他雜質(zhì)。熔煉過程中，利用真空系統(tǒng)將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，對鋯鈮中間合金進(jìn)行熔煉，反復(fù)熔煉6遍以確保鋯鈮中間合金成分均勻；

(2)鈦鋯鋁鈮合金的制備：取上述鋯鈮中間合金15.8887g，海綿鈦72.3404g和純鋁5.2339g；將鋯鈮中間合金與金屬鈦和金屬鋁放入真空非自耗電弧爐的水冷坩堝中進(jìn)行熔煉，將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，首先在160A的電流下將原料熔煉為液態(tài)合金溶體，接著在200A的電流下熔煉2分鐘，接著采用在280A的電流下熔煉3分鐘；在1bar的范圍內(nèi)調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的壓強(qiáng)，調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的流動速度為0.4m/s，達(dá)到調(diào)整水冷銅坩堝的冷卻能力，實(shí)現(xiàn)合金熔體凝固冷卻速率控制在300℃/min，反復(fù)熔煉6遍，確保鈦鋯鋁鈮合金鑄錠的成分均勻。

用線切割將制備出的鑄態(tài)鈦鋯鋁鈮合金切成如圖1所示形狀，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，由此獲得其力學(xué)性能相關(guān)數(shù)據(jù)；使用型號為Instron5982的萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸測試(帶引伸計)，拉伸速率設(shè)定為5×10^-4s^-1，其力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示；其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3中實(shí)施例1曲線所示，最大抗拉強(qiáng)度為1022MPa；

實(shí)施例2

(1)中間合金配制：先取工業(yè)級海綿鋯18.7939g和純鈮5.873g，將上述金屬鋯與金屬鈮潔凈并干燥后，放入真空非自耗熔煉爐(DHL-400型、中國科學(xué)院沈陽儀器研制中心有限公司)中的水冷銅坩堝內(nèi)，銅坩堝內(nèi)壁預(yù)先進(jìn)行清理并用酒精擦拭干凈，避免引入其他雜質(zhì)。熔煉過程中，利用真空系統(tǒng)將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，對鋯鈮中間合金進(jìn)行熔煉，反復(fù)熔煉7遍以確保鋯鈮中間合金成分均勻；

(2)鈦鋯鋁鈮合金的制備：取上述鋯鈮中間合金24.667g，海綿鈦63.1945g和純鋁6.108g，將鋯鈮中間合金與金屬鈦和金屬鋁放入真空非自耗電弧爐的水冷坩堝中進(jìn)行熔煉，將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，首先在170A的電流下將原料熔煉為液態(tài)合金溶體，接著在210A的電流下熔煉2分鐘，接著采用在290A的電流下熔煉3分鐘；在1.3bar的范圍內(nèi)調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的壓強(qiáng)，調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的流動速度為0.5m/s，達(dá)到調(diào)整水冷銅坩堝的冷卻能力，實(shí)現(xiàn)合金熔體凝固冷卻速率控制在325℃/min，反復(fù)熔煉7遍，確保鈦鋯鋁鈮合金鑄錠的成分均勻。

用線切割將制備出的鑄態(tài)鈦鋯鋁鈮合金切成如圖1所示形狀，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，由此獲得其力學(xué)性能相關(guān)數(shù)據(jù)；使用型號為Instron5982的萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸測試(帶引伸計)，拉伸速率設(shè)定為5×10^-4s^-1，其力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示，其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3中實(shí)施例2曲線所示，最大抗拉強(qiáng)度為1068MPa；

實(shí)施例3

(1)中間合金配制：先取工業(yè)級海綿鋯27.5741g和純鈮6.6729g，將上述金屬鋯與金屬鈮潔凈并干燥后，放入真空非自耗熔煉爐(DHL-400型、中國科學(xué)院沈陽儀器研制中心有限公司)中的水冷銅坩堝內(nèi)，銅坩堝內(nèi)壁預(yù)先進(jìn)行清理并用酒精擦拭干凈，避免引入其他雜質(zhì)；熔煉過程中，利用真空系統(tǒng)將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，對鋯鈮中間合金進(jìn)行熔煉，反復(fù)熔煉8遍以確保鋯鈮中間合金成分均勻；

(2)鈦鋯鋁鈮合金的制備：取上述鋯鈮中間合金34.247，海綿鈦52.1518g和純鋁5.5148g，將鋯鈮中間合金與金屬鈦和金屬鋁放入真空非自耗電弧爐的水冷坩堝中進(jìn)行熔煉，將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，首先在180A的電流下將原料熔煉為液態(tài)合金溶體，接著在220A的電流下熔煉3分鐘，接著采用在290A的電流下熔煉4分鐘；在1.6bar的范圍內(nèi)調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的壓強(qiáng)，調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的流動速度為0.6m/s，達(dá)到調(diào)整水冷銅坩堝的冷卻能力，實(shí)現(xiàn)合金熔體凝固冷卻速率控制在350℃/min，反復(fù)熔煉8遍，確保鈦鋯鋁鈮合金鑄錠的成分均勻。

用線切割將制備出的鑄態(tài)鈦鋯鋁鈮合金切成如圖1所示形狀，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，由此獲得其力學(xué)性能相關(guān)數(shù)據(jù)；使用型號為Instron5982的萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸測試(帶引伸計)，拉伸速率設(shè)定為5×10^-4s^-1，其力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示；其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3中實(shí)施例3曲線所示，最大抗拉強(qiáng)度為1378MPa；

實(shí)施例4

(1)中間合金配制：取工業(yè)級海綿鋯37.2519g和純鈮6.7054g，將上述金屬鋯與金屬鈮潔凈并干燥后，放入真空非自耗熔煉爐(DHL-400型、中國科學(xué)院沈陽儀器研制中心有限公司)中的水冷銅坩堝內(nèi)，銅坩堝內(nèi)壁預(yù)先進(jìn)行清理并用酒精擦拭干凈，避免引入其他雜質(zhì)；熔煉過程中，利用真空系統(tǒng)將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，對鋯鈮中間合金進(jìn)行熔煉，反復(fù)熔煉7遍以確保鋯鈮中間合金成分均勻；

(2)鈦鋯鋁鈮體系合金的制備：取鋯鈮中間合金43.9573g，海綿鈦43.5847g和純鋁5.5878g，將鋯鈮中間合金與金屬鈦和金屬鋁放入真空非自耗電弧爐的水冷坩堝中進(jìn)行熔煉，將爐腔內(nèi)真空度抽至8.5×10^-3Pa，接著充入高純氬氣作為保護(hù)氣體，首先在190A的電流下將原料熔煉為液態(tài)合金溶體，接著在240A的電流下熔煉3分鐘，接著采用在300A的電流下熔煉5分鐘；在1.8bar的范圍內(nèi)調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的壓強(qiáng)，調(diào)整水冷銅坩堝冷卻水的流動速度為0.6m/s，達(dá)到調(diào)整水冷銅坩堝的冷卻能力，實(shí)現(xiàn)合金熔體凝固冷卻速率控制在400℃/min，反復(fù)熔煉7遍，確保鈦鋯鋁鈮合金鑄錠的成分均勻。

用線切割將制備出的鑄態(tài)鈦鋯鋁鈮合金切成如圖1所示形狀，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，由此獲得其力學(xué)性能相關(guān)數(shù)據(jù)；使用型號為Instron5982的萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸測試(帶引伸計)，拉伸速率設(shè)定為5×10^-4s^-1，其力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示；同時，利用金相試驗(yàn)鑲嵌機(jī)(XQ-1、上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司)制備金相試樣，取出后將被測試面用砂紙打磨至3000#后進(jìn)行拋光后腐蝕，在金相顯微鏡(Axiovert 200MAT，德國)下觀察其組織形貌，如圖2所示。通過對圖2的分析，發(fā)現(xiàn)制備的鈦鋯鋁鈮合金組織是由細(xì)小的α相板條和等軸晶所組成。說明通過調(diào)整熔煉過程中的電流和水冷銅坩堝冷卻水壓力，可以獲得細(xì)小的鑄態(tài)組織。其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3中實(shí)施例4曲線所示，最大抗拉強(qiáng)度為1490MPa。

表1為實(shí)施例1、2、3、4制備的鑄態(tài)細(xì)晶高強(qiáng)度鈦鋯鋁鈮合金和對比文獻(xiàn)1中通過鍛造形變強(qiáng)化的鈦鋁鈮合金力學(xué)性能的比較

表1

注：對比合金的文獻(xiàn)來源

1.王衛(wèi)民，羅斌莉.外科植入用Ti6Al7Nb和Ti13Nb13Zr合金組織和性能.中國有色金屬學(xué)報.2013,23(1)p:336-342.