权利要求
1.一种高强耐磨钛合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：
Al：2.7%～3.2%，V：4.8%～5.2%，Mo：5.0%～5.8%，Cr：6.6%～7.2%，Zr：0.8%～1.2%，Fe：1.3%～1.6%，O≤0.07%，N≤0.012%，H≤0.04%，C≤0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的高强耐磨钛合金，其特征在于，所述高强耐磨钛合金中Al、V、Mo、Cr、Fe、Zr的质量百分含量的相对极差分别为0.5%～1.0%，相变点Tβ为830℃～870℃，抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥1100MPa，延伸率为11%～13%，HRC≥51，β晶粒的直径为10μm～30μm。
3.一种如权利要求1-2中任意一项所述的高强耐磨钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据所述高强耐磨钛合金的元素配比，称取中间合金及海绵钛原料，采用中间合金及海绵钛原料进行混料压制多个电极块，将多个所述电极块焊接后获得自耗电极;
(2)将所述自耗电极与辅助电极焊接后进行三次真空自耗熔炼，得到合金铸锭;
(3)对所述铸锭进行打磨修整，随后将得到的坯料进行锻造，得到锻件;
(4)在Tβ-70℃～Tβ-30℃温区内，对所述锻件进行去内应力退火处理，得到所述高强耐磨钛合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述原料为海绵钛、钒
铝合金、钼铁合金、钛钼合金、海绵锆、铝豆、单质金属铬合金;所述海绵钛为军工小粒A0级超软海绵钛;所述混料的时间为10min～20min。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述三次真空自耗熔炼，包括：真空度≤1.0Pa，电流为2.5kA～4.0kA，电压为20V～35V，温度为1600℃～2000℃，耗时为2h～5h;所述焊接的方式为手工氩弧焊。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述坯料的尺寸为
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述锻造包括以下步骤：
将所述合金铸锭进行开坯锻造，在900℃～1100℃条件下保温2h～3h，出炉后进行反复镦拔锻造1火次～2火次，得到初次锻坯;
将所述初次锻坯于Tβ-60℃～Tβ-50℃条件下保温0.5h～2h，然后进行反复镦拔锻造3火次～4火次，得到第二锻坯;
将所述第二锻坯于Tβ-20℃～Tβ-10℃条件下保温0.5h～2h，然后进行反复镦拔锻造1火次～2火次，得到所述锻件。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在900℃～1100℃、Tβ-20℃～Tβ-10℃条件下单次镦拔变形量≤20%，Tβ-60℃～Tβ-50℃条件下单次镦拔变形量≤15%，累计总变形量≤85%;
所述锻造中，起料时间≤10s，转运至锻机时间≤50s;终锻后立即水淬，转运时间≤30s。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述去内应力退火，包括：固溶温度为800℃～840℃，固溶时间为1h～3h，炉冷至600℃～640℃保温1h～2h，出炉空冷至室温。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及材料、冶金领域，更具体地，涉及一种高强耐磨钛合金及其制备方法。
背景技术
[0002]高强钛合金具有良好的耐腐蚀性和低密度特性，大量应用于航空航天、海洋工程、医疗器械以及军工等各科技领域，对减轻航空器、刀具、气门阀门等金属结构件自身重量具有非常重要的意义。我国在高强耐磨钛合金的需求方面主要为海军用潜水刀具的制备应用，并要求潜水刀具HRC硬度值≥50。目前经退火处理后的常规高强钛合金HRC硬度值表现为：TC4<40、TB5<45，TB2<48，均无法满足海军用潜水刀的硬度值技术需求。近年来国内外为确保自身科技能力快速上升，满足高精尖工业领域对轻质高强
钛合金材料的需求，均致力于研制出具有服役性能稳定的新型高强度钛合金。目前经退火处理后的常规高强钛合金硬度值表现力不足，无法满足海军用潜水刀的高硬度值技术需求。
[0003]众所周知影响钛合金产品成型的因素有热导率低，变形抗力大，耐热性差，温度参数敏感，因此其对制备工艺和应用环境的要求则十分严苛。在制备高强耐磨钛合金铸锭时其组织内部常会因冷却凝固速率过快而产生粗大的β晶粒，致使化学成分偏析，不利于钛合金产品的后续开发。另外，由于高强钛合金中有较多昂贵的含有β稳定元素的合金原料，因此在研发过程中则需要综合考虑高强耐磨钛合金的生产制造成本。另外，目前钛合金锻造温度范围较窄，当锻造载荷较大时，局部容易过热，变形和微观组织分布不均匀，易在锻件表面产生裂纹。因此，采用常规锻造方法难以充分发挥合金的可塑性，难以锻出比较复杂的零件。
[0004]专利CN106011537A公开了一种细晶高强韧β钛合金及其制作方法，侧重点是通过二轮等温模锻的方式得到锻坯，进行固溶时效处理优化合金的强韧性和塑性匹配，在第一轮模锻中仅进行了一火次的多方位锻造，锻料边部降温速率过快，极易产生开裂现象，并且内部各相晶粒生长不均匀，不利于后续产品成型开发。专利CN103243235A公开了一种高强度钛合金，该方法制得的高强钛合金室温力学性能表现不佳，抗拉强度≥1100MPa，塑性≥15%，不利于钛合金产品应用的长远发展。
发明内容
[0005]本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高强耐磨钛合金及其制备方法，采用“高-低-高”多温度区反复镦拔手段，有效细化该高强耐磨钛合金铸锭的内部组织，降低边缘和心部的β晶粒尺寸;并通过去内应力退火处理使合金晶粒充分长大扩散，有效解决截面大铸锭锻坯组织粗大不均匀的问题并提高新型高强耐磨钛合金综合力学性能，工艺方法简单，生产成本较低，可用于大规模生产制备。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0007]一种高强耐磨钛合金，包括以下质量百分含量的组分：Al：2.7%～3.2%，V：4.8%～5.2%，Mo：5.0%～5.8%，Cr：6.6%～7.2%，Zr：0.8%～1.2%，Fe：1.3%～1.6%，O≤0.07%，N≤0.012%，H≤0.04%，C≤0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
[0008]可选的，所述高强耐磨钛合金中Al、V、Mo、Cr、Fe、Zr的质量百分含量的相对极差分别为0.5%～1.0%，相变点Tβ为830℃～870℃，抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥1100MPa，延伸率为11%～13%，HRC≥51，β晶粒的直径为10μm～30μm。
[0009]本发明还公开了一种如上述的高强耐磨钛合金的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)根据所述高强耐磨钛合金的元素配比，称取中间合金及海绵钛原料，采用中间合金及海绵钛原料进行混料压制多个电极块，将多个所述电极块焊接后获得自耗电极;
[0011](2)将所述自耗电极与辅助电极焊接后进行三次真空自耗熔炼，得到合金铸锭;
[0012](3)对所述铸锭进行打磨修整，随后将得到的坯料进行锻造，得到锻件;
[0013](4)在Tβ-70℃～Tβ-30℃温区内，对所述锻件进行去内应力退火处理，得到所述高强耐磨钛合金。
[0014]可选的，步骤(1)中，所述原料为海绵钛、钒铝合金、钼铁合金、钛钼合金、海绵锆、铝豆、单质金属铬合金;所述海绵钛为军工小粒A0级超软海绵钛;所述混料的时间为10min～20min。
[0015]可选的，步骤(2)中，所述三次真空自耗熔炼，包括：真空度≤1.0Pa，电流为2.5kA～4.0kA，电压为20V～35V，温度为1600℃～2000℃，耗时为2h～5h;所述焊接的方式为手工氩弧焊。
[0016]可选的，步骤(3)中，所述坯料的尺寸为φ200mm×400mm。
[0017]可选的，步骤(3)中，所述锻造包括以下步骤：
[0018]将所述合金铸锭进行开锻锻造，在900℃～1100℃条件下保温2h～3h，出炉后进行反复镦拔锻造1火次～2火次，得到初次锻坯;
[0019]将所述初次锻坯于Tβ-60℃～Tβ-50℃条件下保温0.5h～2h，然后进行反复镦拔锻造3火次～4火次，得到第二锻坯;
[0020]将所述第二锻坯于Tβ-20℃～Tβ-10℃条件下保温0.5h～2h，然后进行反复镦拔锻造1火次～2火次，得到所述锻件。
[0021]可选的，在高温度区间900℃～1100℃、Tβ-20℃～Tβ-10℃内单次镦拔变形量≤20%，低温度区间Tβ-60℃～Tβ-50℃内单次镦拔变形量≤15%，累计总变形量≤85%;所述锻造中，起料时间≤10s，转运至锻机时间≤50s;终锻后立即水淬，转运时间≤30s。
[0022]可选的，步骤(4)中，所述去内应力退火，包括：固溶温度为800℃～840℃，固溶时间为1h～3h，炉冷至600℃～640℃保温1h～2h，出炉空冷至室温。
[0023]实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
[0024]1、本发明制备出一种新型高强耐磨钛合金，将“高-低-高”改锻技术与退火工艺相结合，着重对锻造工艺参数进行优化及控制，通过多道次回炉保温以确保锻件产品宏观表面，从而细化晶粒、组织均匀以及提高其综合力学性能，有效解决铸锭晶粒粗大以及组织不均匀的问题，且生产方法简单，成本低，技术含量较高。
[0025]2、本发明所制备出的高强耐磨钛合金锻件产品，主要元素Al、V、Mo、Cr、Fe、Zr的质量百分含量的相对极差分别为0.5%～1.0%，相变点Tβ为830℃～870℃，抗拉强度≥1200MPa，屈服强度≥1100MPa，延伸率为11%～13%，HRC≥51，β晶粒的直径为10μm～30μm，满足航空航天、海军工刃具等高精尖领域的应用需求。
附图说明
[0026]图1为本发明实施例4中高强耐磨合金铸锭退火后显微组织形貌图。
具体实施方式
[0027]以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。
[0028]实施例1
[0029]本实施例的高强耐磨钛合金，包括以下质量百分含量的组分：Al：3.0%，V：5.2%，Mo：5.8%，Cr：6.6%，Zr：1.1%，Fe：1.6%，O：0.04%，N：0.01%，H：0.02%，C：0.04%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。高强耐磨钛合金中Al、V、Mo、Cr、Fe、Zr的质量百分含量的相对极差为0.6%，经金相法测得该实施例合金相变点Tβ为860℃～870℃，打磨后开展铸锭锻造试验，细化后的β晶粒直径尺寸10μm～20μm。
[0030]本实施例的高强耐磨钛合金的制备方法，包括以下步骤：
[0031](1)根据高强耐磨钛合金的元素配比，称取军工小粒A0级超软海绵钛、55VAl、钼铁合金及钛钼合金，辅料为海绵锆、铝豆、单质金属铬合金，采用中间合金及海绵钛原料进行混料压制多个电极块，将多个电极块焊接后获得自耗电极。
[0032](2)利用手工氩弧焊将自耗电极与辅助电极连接后，进行三次真空自耗熔炼，真空度≤1.0Pa，在熔炼开始阶段，电流为2.5kA～4.0kA，在熔炼的中后期阶段，电流稳定地控制在3.3kA，电压为30V，温度为1600℃～2000℃，耗时为4h，经打磨切削后得到130～140kg级别的高强耐磨钛合金铸锭。
[0033](3)对铸锭进行打磨修整，得到尺寸为φ200mm×400mm的坯料，各锻造火次温度变化为“高-低-高”趋势，并采用多温度区多火次反复镦拔方式制备出合金锻件，其中，锻造包括以下步骤：
[0034](3.1)初次锻坯制备：随炉升温至1000℃并保温2h，人工夹取在50s内将铸锭转运至锻机处，进行第一火次的一镦两拔，变形量为20%。
[0035](3.2)第二锻坯制备：为确保合金锻件组织均匀，避免大锻坯表面过冷以及心部过热现象，每火次镦拔后均应立即将中间锻坯转运至炉膛中。第一火次：820℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行两镦两拔，变形量为15%;第二、三火次：820℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为15%。
[0036](3.3)采用2火次镦拔改锻的方法制备终锻件：第一火次：840℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为15%;第二火次：840℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔后立即在30s内进行水淬，得到终锻件产品。
[0037](4)对锻件进行去内应力退火处理，固溶温度为840℃，固溶时间为2h，炉冷至500℃保温1h，出炉空冷至室温，得到高强耐磨钛合金。经力学性能检测得到本实施例合金抗拉强度1559MPa，屈服强度1433MPa，延伸率11.2%，HRC为52.4。
[0038]实施例2
[0039]本实施例所涉及到的合金铸锭成分设计配比以及熔炼方法与实施例1相同，并采用实施例1多温度区多火次反复镦拔方式制备出合金锻件。锻造方法，包括以下步骤：
[0040](1.1)初次锻坯制备：随炉升温至1000℃并保温2h，人工夹取在50s内将铸锭转运至锻机处，进行第一火次的一镦两拔，变形量为20%。
[0041](1.2)第二锻坯制备：为确保合金锻件组织均匀，避免大锻坯表面过冷以及心部过热现象，每火次镦拔后均应立即将中间锻坯转运至炉膛中。第一火次：810℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行两镦两拔，变形量为10%;第二、三火次：810℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为10%。
[0042](1.3)采用2火次镦拔改锻的方法制备终锻件：第一火次：850℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为20%;第二火次：850℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔后立即在30s内进行水淬，得到终锻件产品。
[0043](2)对锻件进行去内应力退火处理，固溶温度为840℃，固溶时间为2h，炉冷至500℃保温1h，出炉空冷至室温，得到高强耐磨钛合金。经力学性能检测得到本实施例合金抗拉强度1518MPa，屈服强度1390MPa，延伸率12.1%，HRC为52.1。
[0044]实施例3
[0045]本实施例所涉及到的合金铸锭成分设计配比以及熔炼方法与实施例1相同，并采用实施例1多温度区多火次反复镦拔方式制备出合金锻件。锻造方法，包括以下步骤：
[0046](1.1)初次锻坯制备：随炉升温至1000℃并保温2h，人工夹取在50s内将铸锭转运至锻机处，进行第一火次的一镦两拔，变形量为20%。
[0047](1.2)第二锻坯制备：为确保合金锻件组织均匀，避免大锻坯表面过冷以及心部过热现象，每火次镦拔后均应立即将中间锻坯转运至炉膛中。第一火次：800℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行两镦两拔，变形量为10%;第二、三火次：800℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为10%。
[0048](1.3)采用2火次镦拔改锻的方法制备终锻件：第一火次：860℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为20%;第二火次：860℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔后立即在30s内进行水淬，得到终锻件产品。
[0049](2)对锻件进行去内应力退火处理，固溶温度为840℃，固溶时间为2h，炉冷至500℃保温1h，出炉空冷至室温，得到高强耐磨钛合金。经力学性能检测得到本实施例合金抗拉强度1461MPa，屈服强度1310MPa，延伸率12.8%，HRC为51.7。
[0050]实施例4
[0051]本实施例的高强耐磨钛合金质量百分含量组分与实施例1～3的区别在于，其中Mo含量为5.4%，Cr含量为6.9%，其他元素含量配比方式相同。同样地，合金中Al、V、Mo、Cr、Fe、Zr的质量百分含量的相对极差为0.6%，经金相法测得该实施例合金相变点Tβ为860℃～870℃，打磨后开展铸锭锻造试验，细化后的β晶粒直径尺寸30μm～40μm。
[0052]本实施例采用实施例1～3中所涉及到的多温度区多火次反复镦拔方式制备出合金锻件，包括以下步骤：
[0053](1.1)初次锻坯制备：随炉升温至900℃并保温2h，人工夹取在50s内将铸锭转运至锻机处，进行第一火次的一镦两拔，变形量为20%。
[0054](1.2)第二锻坯制备：为确保合金锻件组织均匀，避免大锻坯表面过冷以及心部过热现象，每火次镦拔后均应立即将中间锻坯转运至炉膛中。第一火次：820℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行两镦两拔，变形量为15%;第二、三火次：820℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为15%。
[0055](1.3)采用2火次镦拔改锻的方法制备终锻件：第一火次：840℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为15%;第二火次：840℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔后立即在30s内进行水淬，得到终锻件产品。
[0056](2)对锻件进行去内应力退火处理，固溶温度为820℃，固溶时间为2h，炉冷至550℃保温1h，出炉空冷至室温，得到高强耐磨钛合金。经力学性能检测得到本实施例合金抗拉强度1520MPa，屈服强度1498MPa，延伸率12.2%，HRC为51.9。
[0057]实施例5
[0058]本实施例所涉及到的合金铸锭成分设计配比以及熔炼方法与实施例4相同。锻造方法，包括以下步骤：
[0059](1.1)初次锻坯制备：随炉升温至900℃并保温2h，人工夹取在50s内将铸锭转运至锻机处，进行第一火次的一镦两拔，变形量为20%。
[0060](1.2)第二锻坯制备：为确保合金锻件组织均匀，避免大锻坯表面过冷以及心部过热现象，每火次镦拔后均应立即将中间锻坯转运至炉膛中。第一火次：810℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行两镦两拔，变形量为10%;第二、三火次：810℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为10%。
[0061](1.3)采用2火次镦拔改锻的方法制备终锻件：第一火次：850℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为20%;第二火次：850℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔后立即在30s内进行水淬，得到终锻件产品。
[0062](2)对锻件进行去内应力退火处理，固溶温度为820℃，固溶时间为2h，炉冷至550℃保温1h，出炉空冷至室温，得到高强耐磨钛合金。经力学性能检测得到本实施例合金抗拉强度1456MPa，屈服强度1302MPa，延伸率12.7%，HRC为51.4。
[0063]实施例6
[0064]本实施例所涉及到的合金铸锭成分设计配比以及熔炼方法与实施例4相同。锻造方法，包括以下步骤：
[0065](1.1)初次锻坯制备：随炉升温至900℃并保温2h，人工夹取在50s内将铸锭转运至锻机处，进行第一火次的一镦两拔，变形量为20%。
[0066](1.2)第二锻坯制备：为确保合金锻件组织均匀，避免大锻坯表面过冷以及心部过热现象，每火次镦拔后均应立即将中间锻坯转运至炉膛中。第一火次：800℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行两镦两拔，变形量为10%;第二、三火次：800℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为10%。
[0067](1.3)采用2火次镦拔改锻的方法制备终锻件：第一火次：860℃条件下保温1h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔，变形量为20%;第二火次：860℃条件下保温0.5h，50s内转运至锻机处，进行一镦一拔后立即在30s内进行水淬，得到终锻件产品。
[0068](2)对锻件进行去内应力退火处理，固溶温度为820℃，固溶时间为2h，炉冷至550℃保温1h，出炉空冷至室温，得到高强耐磨钛合金。经力学性能检测得到本实施例合金抗拉强度1410MPa，屈服强度1296MPa，延伸率11.5%，HRC为51.6。
[0069]对比例1
[0070]本对比例所涉及到的合金铸锭成分设计配比以及熔炼方法与实施例1相同，所采用的锻造方法，包括以下步骤：
[0071](1.1)初次锻坯制备：随炉升温至1100℃并保温2h，人工夹取在50s内将铸锭转运至锻机处，进行第一火次的两镦两拔，变形量为30%。
[0072](1.2)第二锻坯制备：两端镦平，坯料表面打磨，棱角需圆弧倒角。每火次镦拔后均应立即将中间锻坯转运至炉膛中。1050℃条件下保温2h后进行两镦两拔，变形量为30%。
[0073](1.3)终锻件制备：1000℃条件下保温1h，进行一镦一拔，滚圆拔长，变形量为20%，在30s内进行水淬，得到终锻件产品。
[0074](2)对锻件进行去内应力退火处理，固溶温度为840℃，固溶时间为2h，炉冷至500℃保温1h，出炉空冷至室温，得到高强耐磨钛合金。经力学性能检测得到本实施例合金抗拉强度1321MPa，屈服强度1150MPa，延伸率8.6%，HRC为49.4。
[0075]对比例2
[0076]本对比例所涉及到的合金铸锭成分设计配比以及熔炼方法与实施例4相同，所采用的锻造方法，包括以下步骤：
[0077](1.1)初次锻坯制备：随炉升温至1000℃并保温2h，人工夹取在50s内将铸锭转运至锻机处，进行第一火次的两镦两拔，变形量为30%。
[0078](1.2)第二锻坯制备：两端镦平，坯料表面打磨，棱角需圆弧倒角。每火次镦拔后均应立即将中间锻坯转运至炉膛中。950℃条件下保温2h后进行两镦两拔，变形量为30%。
[0079](1.3)终锻件制备：900℃条件下保温1h，进行一镦一拔，滚圆拔长，变形量为20%，在30s内进行水淬，得到终锻件产品。
[0080](2)对锻件进行去内应力退火处理，固溶温度为820℃，固溶时间为2h，炉冷至550℃保温1h，出炉空冷至室温，得到高强耐磨钛合金。经力学性能检测得到本实施例合金抗拉强度1278MPa，屈服强度1084MPa，延伸率9.1%，HRC为48.7。
[0081]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
说明书附图(1)
声明：
“高强耐磨钛合金及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司, 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司
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