本發(fā)明涉及用于船舶與海洋工程的鈦合金，尤其是涉及一種新型高強(qiáng)度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、無(wú)磁等優(yōu)異的性能，特別是在海水和酸性烴類(lèi)化合物中具有良好的耐蝕性，是船舶與海洋工程特別是含鹽環(huán)境優(yōu)選的材料，因此，鈦合金被譽(yù)為“海洋金屬”。

隨著我國(guó)海洋事業(yè)和海軍的發(fā)展，海洋工程構(gòu)件及艦船裝備的不斷更新，對(duì)鈦合金材料強(qiáng)度、塑性和韌性等指標(biāo)提出了更高的要求，如油井管、深潛器等水下耐壓構(gòu)件要求鈦合金具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌性。目前，高強(qiáng)鈦合金主要為α+β型、近亞穩(wěn)β型和亞穩(wěn)β型鈦合金，一般通過(guò)鍛造獲得晶粒細(xì)小的組織，再通過(guò)進(jìn)一步的固溶強(qiáng)化和時(shí)效等熱處理工藝以改變組織中的α相的形態(tài)、種類(lèi)、大小和體積分?jǐn)?shù)等提高強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外主要代表性的高強(qiáng)鈦合金有Ti62222S、BT22、Ti1023、TC21和β21S等，這些合金強(qiáng)度較高，塑性和斷裂韌性良好，但沖擊韌性較低，不能滿足海洋環(huán)境的特殊使用工況，如一些船舶發(fā)生海損事故的重要原因就是由于材料的脆性。另外，船舶及海洋工程用大型鈦合金結(jié)構(gòu)件需要焊接，現(xiàn)有的高強(qiáng)鈦合金焊接性能較差，尤其焊接后熱影響區(qū)的沖擊韌性較低。因此，針對(duì)海洋環(huán)境使用工況，開(kāi)發(fā)一種新型高強(qiáng)度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金就成了急需解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金，并且該合金具有良好的冷熱加工性能，可成型為鍛件和厚板等。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種高強(qiáng)度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金，按質(zhì)量百分比計(jì)，其成分組成為：Al：4.0~8.0wt.%、Mo：0.3~6.0wt.%、V：0.3~6.0wt.%、Nb：0.3~5.0wt.%、Cr：0.3~6.0wt.%、Zr：0.3~5.0wt.%，余量為T(mén)i，以及間隙元素和不可避免雜質(zhì)元素，間隙元素為C、H、O和N，鈦合金中全體元素的質(zhì)量百分比總和為100%。

所述鈦合金中，α穩(wěn)定元素和中性元素為Al和Zr，滿足鋁當(dāng)量[Al]_當(dāng)≥6，其中[Al]_當(dāng)=%Al+%Zr/6，式中%表示鈦合金中各元素的質(zhì)量百分比。

所述鈦合金中，β穩(wěn)定元素為Mo、Nb、V和Cr元素，滿足鉬當(dāng)量[Mo]_當(dāng)≤8.0，其中[Mo]_當(dāng)=%Mo+ %Nb/3.3+%V/1.4+%Cr/0.6，式中%表示鈦合金中各元素的質(zhì)量百分比。

所述O元素的質(zhì)量百分比為0.02~0.15wt.%。

本發(fā)明的一種高強(qiáng)度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、合金成分配料：釩、鉬和鈮元素以鋁釩、鋁鉬和鋁鈮中間合金的形式加入原料中，鋁、鋯和鉻以純金屬的形式加入原料中，按所述配方，稱(chēng)重配料；

步驟二、鑄錠熔煉：鑄錠采用真空自耗電弧熔煉方法制備，預(yù)熔真空度為10^-2Pa，熔煉次數(shù)≥3次，將鑄錠車(chē)皮、去縮口，然后進(jìn)行開(kāi)坯鍛造；

步驟三、開(kāi)坯鍛造或鑄造：鑄錠經(jīng)加熱后在空氣錘或壓機(jī)上開(kāi)坯，經(jīng)多火次加工，在空氣錘、水壓機(jī)或擠壓機(jī)設(shè)備上加工成板坯或鍛件；

步驟四、板材軋制：采用冷熱軋機(jī)將板坯或鍛件軋制為不同厚度的寬幅板材。

有益效果：

本發(fā)明鈦合金的強(qiáng)度和塑韌性匹配較好，并且具有良好的冷熱加工性能，可成型為鍛件和厚板等。

本發(fā)明的鈦合金鍛件、板材達(dá)到的材料性能如下：抗拉強(qiáng)度R_m≥1060MPa，屈服強(qiáng)度R_p0.2≥980MPa，延伸率A≥10%，沖擊韌性Akv≥40J，斷裂韌性K_IC≥80MPa?m^1/2，板材的縱橫向性能差異不大于15%。

本發(fā)明的鈦合金具有良好的焊接性能和耐海水腐蝕性能，焊接系數(shù)≥0.9，應(yīng)力腐蝕斷裂韌性K_ISCC≥65MPa?m^1/2。

本發(fā)明的鈦合金在船舶和海洋工程等領(lǐng)域具有良好的技術(shù)應(yīng)用與市場(chǎng)前景。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明以下各實(shí)施例制備的鈦合金材料的成分及性能如表1所示。

實(shí)施例1：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-2Nb -1.5Cr合金

按實(shí)施例1所列成分稱(chēng)量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業(yè)1級(jí)海綿鈦通過(guò)混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經(jīng)T_β+150℃開(kāi)坯，α+β相區(qū)鍛造成鍛件，采用冷熱軋機(jī)軋制成為不同厚度的寬幅板材。經(jīng)合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見(jiàn)表1。

實(shí)施例2：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-2Nb -0.3Cr合金

按實(shí)施例2所列成分稱(chēng)量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、0.3wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業(yè)1級(jí)海綿鈦通過(guò)混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經(jīng)T_β+150℃開(kāi)坯，α+β相區(qū)鍛造成鍛件，采用冷熱軋機(jī)軋制成為不同厚度的寬幅板材。經(jīng)合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見(jiàn)表1。

實(shí)施例3：Ti-6.5Al-0.3Mo -2V -2Zr-2Nb -1.5Cr合金

按實(shí)施例3所列成分稱(chēng)量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、0.3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業(yè)1級(jí)海綿鈦通過(guò)混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經(jīng)T_β+150℃開(kāi)坯，α+β相區(qū)鍛造成鍛件，采用冷熱軋機(jī)軋制成為不同厚度的寬幅板材。經(jīng)合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見(jiàn)表1。

實(shí)施例4：Ti-6.5Al-3Mo -0.3V -2Zr-2Nb -1.5Cr合金

按實(shí)施例4所列成分稱(chēng)量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、0.3wt.%的釩元素和工業(yè)1級(jí)海綿鈦通過(guò)混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經(jīng)T_β+150℃開(kāi)坯，α+β相區(qū)鍛造成鍛件，采用冷熱軋機(jī)軋制成為不同厚度的寬幅板材。經(jīng)合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見(jiàn)表1。

實(shí)施例5：Ti-6.5Al-3Mo -2V -0.3Zr-2Nb -1.5Cr合金

按實(shí)施例5所列成分稱(chēng)量原料，將6.5wt.%的鋁元素、0.3wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業(yè)1級(jí)海綿鈦通過(guò)混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經(jīng)T_β+150℃開(kāi)坯，α+β相區(qū)鍛造成鍛件，采用冷熱軋機(jī)軋制成為不同厚度的寬幅板材。經(jīng)合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見(jiàn)表1。

實(shí)施例6：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-0.3Nb -1.5Cr合金

按實(shí)施例6所列成分稱(chēng)量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、0.3wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業(yè)1級(jí)海綿鈦通過(guò)混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經(jīng)T_β+150℃開(kāi)坯，α+β相區(qū)鍛造成鍛件，采用冷熱軋機(jī)軋制成為不同厚度的寬幅板材。經(jīng)合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見(jiàn)表1。

實(shí)施例7：Ti-4Al-6Mo-6V-5Nb -6Cr–5Zr合金

按實(shí)施例7所列成分稱(chēng)量原料，將4wt.%的鋁元素、5wt.%的鋯元素、6wt.%的鉻元素、6wt.%的鉬元素、5wt.%的鈮元素、6wt.%的釩元素和工業(yè)1級(jí)海綿鈦通過(guò)混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經(jīng)T_β+150℃開(kāi)坯，α+β相區(qū)鍛造成鍛件，采用冷熱軋機(jī)軋制成為不同厚度的寬幅板材。經(jīng)合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見(jiàn)表1。

實(shí)施例8：Ti-8Al-5Mo -3V -4Zr-4Nb -4Cr合金

按實(shí)施例8所列成分稱(chēng)量原料，將8wt.%的鋁元素、4wt.%的鋯元素、4wt.%的鉻元素、5wt.%的鉬元素、4wt.%的鈮元素、3wt.%的釩元素和工業(yè)1級(jí)海綿鈦通過(guò)混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經(jīng)T_β+150℃開(kāi)坯，α+β相區(qū)鍛造成鍛件，采用冷熱軋機(jī)軋制成為不同厚度的寬幅板材。經(jīng)合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見(jiàn)表1。

實(shí)施例9：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-3Nb -0.3Cr合金

按實(shí)施例9所列成分稱(chēng)量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、0.3wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、3wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業(yè)1級(jí)海綿鈦通過(guò)混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經(jīng)T_β+150℃開(kāi)坯，α+β相區(qū)鍛造成鍛件，采用冷熱軋機(jī)軋制成為不同厚度的寬幅板材。經(jīng)合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見(jiàn)表1。