一种高强韧耐蚀钛锆铝锡四元合金及其制备方法

本发明涉及钛合金与锆合金领域，特别涉及一种新型高强韧耐蚀钛锆铝锡四元合金及其制备方法。

背景技术：

1、钛与钛合金由于其较高的比强度、优异的耐蚀性以及良好的生物相容性而广泛的应用于航天航空、化学工业、海洋大气以及生物医疗等领域。从上世纪五十年代至今，钛合金在生产生活中已经取得良好的经济效益，不过随着工业不断发展，越来越恶劣的应用环境也亟待科研工作者开发新型合金解决。同时，锆元素的中子吸收截面积为0.18×10-28m2，同时具有密度低、耐蚀性好、热膨胀系数小，良好的抗氧原子侵蚀性能等。因此锆合金还具有成为航天航空领域材料的潜质。锆元素与钛元素为同族元素，二者理化性质相似，能够无限互溶，这为钛锆基合金的开发提供了广泛的可能。此外，锆原子被称为“原子时代的第一金属”，具有较低的热中子吸收截面、优异的耐腐蚀性能以及良好的力学性能和加工性能，在核工业中已得到了大量应用。两种元素优异的理化特性让钛锆基合金可以在恶劣条件下服役，具有广泛的应用前景，探索和开发新型钛锆基合金也是未来钛、锆合金研究的重要方向。

2、强度与塑性一直是合金力学性能的两大指标，而强度与塑性往往优势一堆矛盾体。对于开发出具有较高强度和较高塑性的钛锆基合金是拓宽钛合金应用范围的重要途径。随着我国化工行业，航空航天航海事业的飞速发展，传统的合金材料已经无法满足要求越来越严苛的服役条件。在钛合金的应用范围里，以商业纯钛和α+β双相合金ti-6al-4v(国内牌号tc4)为主，基本上占据钛合金全年生产总量百分之七十以上。而钛锆基合金作为一种新兴的钛合金提高了合金的强度，但是同时不能处理强度与塑性的矛盾关系，对材料的塑性有所削弱。因此开发出高强塑性的钛合金对克服钛合金的复杂服役环境以及扩大合金的应用范围具有重要意义。

3、tizr基合金以ti、zr两种元素为主，两者之间具有显著的固溶强化作用，在当前的大多数文献或专利中，都是添加β相稳定元素(如“一种锆钛镍合金及其制备方法，2021.08.11，中国，202110919232.7、一种高强韧耐蚀锆钛钒合金及其制备方法，2020.10.23，202011145500.6”)，第三元素的添加量通常在0-10at％，其中镍与钒均作为β相稳定元素，在ti与zr的α相中溶解度很小，并且此类元素也会造成合金在高温状态下的各方面性能严重下降。

技术实现思路

1、本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种高强韧耐蚀钛锆铝锡合金及其制备方法。该合金是在钛铝锡合金中引入锆元素，通过调控铝元素含量，使用非自耗真空电弧熔炼炉熔炼得到了不同铝含量的锆钛铝锡合金(5％～13％)，该合金通过调解铝元素含量，不仅可以降低钛合金密度的同时还可以提高强度，这是因为al元素在α相中的固溶强化作用十分优异，来获得综合性能优良的α相钛锆基合金。本发明得到的合金随着铝含量的增加，不仅强度不断提升，并且还能表现出较好的塑性，除以上意外，本发明合金还具有生产工艺简单、耐腐蚀性能良好等特点。

2、本发明的技术方案为：

3、一种高强韧耐蚀钛锆铝锡四元合金，该合金为钛-锆-铝-锡合金，合金四种元素所占重量比分别为：ti 72.5～64.5wt％，zr 20wt％，al 5～13wt％，sn 2.5wt％，余量为不可避免的杂质。

4、所述的高强韧耐蚀钛锆铝锡四元合金的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)将纯钛、纯锆、纯铝和纯锡分别清洗后，按照质量比进行配料；

6、(2)将(1)配置好的金属原料放入非自耗真空电弧熔炼炉的坩埚中，关闭阀门，抽高真空至4.0～4.5×10-3pa；

7、(3)向电弧炉腔体内充入0.04mpa-0.06mpa的高纯氩气，然后进行引弧熔炼；每次熔炼4-6分钟，反复熔炼及翻转铸锭5-7次，熔炼电流为160-170a/s，得到铸锭合金；

8、(4)将熔炼出的合金铸锭放入真空管式炉中，经过3-4次洗气过程后，在氩气氛围的保护下、950℃-1000℃保温退火5-6小时，随炉冷却，得到高强韧耐蚀钛锆铝锡合金。

9、所述的步骤(4)中的每次洗气过程为：打开真空泵进行抽真空，抽到-0.1mpa时，关闭真空泵，再通入氩气，使氩气氛围压强接近大气压，为-0.05mpa。

10、上述的纯锆为工业级海绵锆，纯钛的纯度为99％，纯铝的纯度为99.9％，纯锡的纯度为99.9％。所述的高纯氩气的纯度为99.999％。

11、本发明的实质性特点为：

12、通过锆元素的固溶效果，以及调控铝的含量，在对材料塑性影响不大的情况下通过固溶强化及化合物提高合金的强度和耐蚀性，从而获得具有高强度高韧性和耐蚀性的四元合金。

13、本发明的有益效果为：

14、1、通过锆元素的固溶强化效应，提升材料的强度与耐蚀性能，与市场上现有的ta7合金相比，具有屈服强度高、韧性良好等特点。

15、2、通过改变铝元素的含量，屈服强度提升了约45％，并且塑性也有所保留，与铝含量5％的合金相比，铝含量为13％的塑性依然相差不大。而且合金的耐蚀性也有比较高的提高。

16、3、钛锆铝锡系列合金加工过程简单，并且生产成本低。

技术特征：

1.一种高强韧耐蚀钛锆铝锡四元合金，其特征为该合金为钛-锆-铝-锡合金，合金四种元素所占重量比分别为：ti 72.5～64.5wt％，zr 20wt％，al 5～13wt％，sn 2.5wt％，余量为不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强韧耐蚀钛锆铝锡四元合金的制备方法，其特征为包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的高强韧耐蚀钛锆铝锡四元合金的制备方法，其特征为所述的步骤(4)中的每次洗气过程为：打开真空泵进行抽真空，抽到-0.1mpa时，关闭真空泵，再通入氩气，使氩气氛围压强接近大气压，为-0.05mpa。

4.如权利要求2所述的高强韧耐蚀钛锆铝锡四元合金的制备方法，其特征为上述的纯锆为工业级海绵锆，纯钛的纯度为99％，纯铝的纯度为99.9％，纯锡的纯度为99.9％；所述的高纯氩气的纯度为99.999％。

技术总结本发明为一种高强韧耐蚀钛锆铝锡四元合金及其制备方法。该合金为钛‑锆‑铝‑锡合金，合金四种元素所占重量比分别为：Ti 72.5～64.5wt％，Zr 20wt％，Al 5～13wt％，Sn 2.5wt％，余量为不可避免的杂质。该合金通过调解铝元素含量，不仅可以降低钛合金密度的同时还可以提高强度，这是因为Al元素在α相中的固溶强化作用十分优异，来获得综合性能优良的α相钛锆基合金。本发明得到的合金随着铝含量的增加，不仅强度不断提升，并且还能表现出较好的塑性，除此以外，本发明合金还具有生产工艺简单、耐腐蚀性能良好等特点。技术研发人员：夏超群,胡航铭,宋天朔,吴鑫雨,席东升,施洋洋,杨泰,刘宁,李强受保护的技术使用者：河北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5