CN110714138A - 高性能锆钛二元合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高性能锆钛二元合金及其制备方法。一种锆钛二元合金由以下成分组成及原子百分比为：锆55‑65％，钛45‑35％。其制备方法是：其将原材料按原子百分比混合均匀后放置在非自耗熔炼炉中熔炼，熔炼炉充入氩气作为保护气氛。将反复熔炼的铸锭进行高温均匀化处理，随后在箱式电阻炉中加热后对其进行多道次轧制变形，直至合金锭变形量达到70％。在进行完最后一道次轧制变形后，将所得的合金板材放置于大气中冷却至室温。将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮、酸洗，表面打磨后得到最终的锆钛二元合金。本发明的抗拉强度达到1052以上，延伸率可达到7％以上，与现有技术相比有较好的综合力学性能，同时具有低密度和良好的耐腐蚀性能等优点。

Description

高性能锆钛二元合金及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种高性能的新型锆钛合金及其制备方法，属于新材料制备领域。

背景技术

在航空航天等领域中，用于空间活动构建的材料中，合金钢使用最为广泛。主要使用的合金钢种类为不锈钢、GCr15、20CrMnTi等。尽管合金钢材用于实际应用的时间长，材料体系也比较成熟，但是其热膨胀系数较大、尺寸稳定性差、耐低温性能不佳、密度偏大、比强度偏低，并且由于空间中原子氧、辐照等因素，使用寿命一般低于预期。从而导致空间活动构件提前失效，引起空间飞行器产生机械故障，影响空间飞行器的服役寿命。目前，使用的主要替代材料为合金牌号为TC4的钛合金。但是TC4钛合金基体硬度偏低(HRC30)，强度偏低(900MPa)，耐磨性、尺寸稳定性也不尽如人意。因此，迫切需要研究新的合金体系，作为合金钢的替代材料，从而促进航空航天材料领域的发展。

发明内容

为了克服航空航天等领域中用于空间活动构建材料存在的上述不足，本发明提供一种新型高性能锆钛二元合金及其制备方法。该发明以锆基合金体系作为研究对象(基础材料)，通过添加元素钛，以及使用一套工艺方法，制备出具有新型高性能的锆钛二元合金。

本发明所采用的技术方案如下：

一种锆钛二元合金由以下成分组成及原子百分比为：锆55-65％，钛45-35％；所述锆钛二元合金抗拉强度可达到1052～1234MPa，延伸率可达到7％以上，相比于9Cr18钢和TC4钛合金具有较好的综合力学性能，同时具有低密度和良好的耐腐蚀性能。

一种制备锆钛二元合金的方法，包括如下步骤：

(1)原材料的准备：将化学成分原子百分比为锆55-65％、钛45-35％使用砂纸打磨表面，并用超声波清洗干净，最后用吹风机快速烘干。

(2)铸锭：将按比例混合均匀的原材料放入非自耗型熔炼炉中熔炼，熔炼炉中充入氩气保护，熔炼过程中多次翻转合金锭，不少于5次，以保证熔炼均匀；每次翻转后熔炼时间为5-10分钟。

(3)均匀化退火：将合金锭放入管式炉中，在氩气保护氛围下加热至900-1100℃，保温4-5小时，之后随炉冷却，目的是为了进一步使合金锭的成分更加均匀化。

(4)热加工变形：将经过均匀化处理的合金锭放入箱式电阻炉，并将箱式电阻炉加热到700-900℃，使合金锭在该温度下保温30-50分钟，保证温度均匀。随后将合金锭快速转移到双辊轧机上进行多道次轧制变形：第一次轧制完成以后，将合金锭放回箱式电阻炉保温3-5分钟，随后快速进行第二次轧制变形，如此循环，直至合金锭压下变形量打到70％。在最后一次轧制后，将合金板材放置于大气中自然冷却至室温。将最后冷却下来的合金板材进扒皮、酸洗、表面打磨等工序处理干净后得到锆钛二元合金。

本发明制备得到的锆钛二元合金相比于传统合金相比，有以下优点：

1.本发明所得的锆钛二元合金具有较高的强度和塑性，可以作为航空结构构件材料使用。

2.本发明所得的锆钛二元合金具有较低的密度，良好的耐腐蚀，抗辐射等优良的力学和理化性能。

3.本发明获得的锆钛二元合金与传统合金相比，制备工艺简单易操作。

本发明得到的锆钛合金抗拉强度可达到1200MPa以上，延伸率可达到7％以上，相比于9Cr18钢和TC4钛合金，有较好的综合力学性能。同时具有低密度和良好的耐腐蚀性能等优点，拓展了锆合金在航空航天工业上的应用范围。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术人员可根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

用工业级海绵锆和海绵钛按照原子比55:45的比例进行配料，将表面处理掉氧化皮后，用超声波清洗干净，再用吹风机烘干。将原料混合均匀放入带有氩气气氛保护的非自耗电弧炉内，反复翻转熔炼5次，每次6分钟，以保证充分熔炼，以得到成分均匀的合金铸锭。将熔炼好的合金铸锭，放入管式炉中，充氩气保护，900℃保温4小时，随炉冷却，使合金铸锭的成分愈加趋于均匀。将完成均匀化退火的锆钛合金铸锭放入箱式电阻炉中，加热到700℃，在该温度下保温40分钟，随后将合金锭快速转移到双辊轧机上进行多道次轧制变形。第一次轧制变形完成后，将合金锭放入箱式电阻炉中保温3分钟，随后快速进行第二次轧制变形，以此往复循环，直至使合金锭压下变形量达到70％。在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中自然冷却至室温。将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮、酸洗，表面打磨干净后得到本发明的锆钛二元合金。将本发明的锆钛二元合金进行拉伸性能测试，得到其性能数据。具体数据见表1。

实施例2

用工业级海绵锆和海绵钛按照原子比65:35的比例进行配料，将表面处理掉氧化皮后，用超声波清洗干净，再用吹风机烘干。将原料混合均匀放入带有氩气气氛保护的非自耗电弧炉内，反复翻转熔炼5次，每次8分钟，以保证充分熔炼，以得到成分均匀的合金铸锭。将熔炼好的合金铸锭，放入管式炉中，充氩气保护，1100℃保温4小时，随炉冷却，使合金铸锭的成分愈加趋于均匀。将完成均匀化退火的锆钛合金铸锭放入箱式电阻炉中，加热到900℃，在该温度下保温40分钟，随后将合金锭快速转移到双辊轧机上进行多道次轧制变形。第一次轧制变形完成后，将合金锭放入箱式电阻炉中保温5分钟，随后快速进行第二次轧制变形，以此往复循环，直至使合金锭压下变形量达到70％。在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中自然冷却至室温。将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮，酸洗，表面打磨干净后得到本发明的锆钛二元合金。将本发明的锆钛二元合金进行拉伸性能测试，得到其性能数据。具体数据见表1。

表1经本发明锆钛合金及对比合金的拉伸性能测试结果

Claims (3)

1.一种锆钛二元合金，其特征在于：所述锆钛二元合金由以下成分组成及原子百分比为：锆55-65％，钛45-35％，所述锆钛二元合金抗拉强度可达到1052～1234MPa，延伸率可达到7％以上，相比于9Cr18钢和TC4钛合金具有较好的综合力学性能，同时具有低密度和良好的耐腐蚀性能。

2.一种根据权利要求所述的锆钛二元合金的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

(1)将预处理后的原材料按照原子百分比为：锆55-65％、钛45-35％，混合均匀后置于非自耗熔炼炉内，在氩气气氛保护下，反复反转熔炼5次，每次时间5-10分钟，以保证熔炼均匀；

(2)将铸锭放置于管式电阻炉中，充入氩气作为保护氛围，加热至900-1100℃，保温4-5小时，完成后随管式电阻炉冷却，作为合金锭的均匀化退火；

(3)经过均匀化处理的合金锭，放入箱式电阻炉中，将电阻炉加热至700-900℃，使合金锭在该温度下保温30-50分钟，随后将合金锭快速转移到双辊轧机中进行多道次轧制变形；第一次轧制变形完成后，将合金锭放入箱式电阻炉中保温3-5分钟，随后快速进行第二次轧制变形，以此往复循环，直至使合金锭压下变形量达到70％；在最后一道次变形后，将合金板材放置于大气中自然冷却至室温；将冷却至室温的合金板材表面进行扒皮、酸洗，表面打磨干净后得到锆钛二元合金。

3.根据权利要求2所述的锆钛二元合金的制备方法，其特征在于：所述原材料锆、钛经超声波清洗，熔炼及退火处理过程中充入氩气作为保护氛围。