CN113564397A - 一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中强高韧钛合金中厚板材短流程制备方法，包括以下步骤：一、将原料制成电极进行熔炼；二、将钛合金铸锭保温和锻造后空冷；三、将第一锻坯钛合金保温和锻造后空冷；四、将第二锻坯钛合金保温和锻造后空冷；五、将第三锻坯钛合金保温后水冷；六、将水冷钛合金锻坯保温和锻造后整形；七、将板材坯料固溶时效处理和机加工，得到中强高韧钛合金中厚板材。本发明通过将钛合金铸锭采用相变点以上的开坯锻造、大变形均匀锻造技术和相变点以下的变形，再结合相变点以上较低温度的均匀化处理和相变点温度以下大变形锻造，仅需4火次的锻造工艺即可得到中强高韧钛合金中厚板材，在材料性能保证的前提下可大大缩短加工周期，降低加工成本。

Description

一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法
技术领域
本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法。
背景技术
航空航天工业的发展必须依靠先进材料的推动，近年来随着断裂力学和损伤容限理论的发展，飞机构件的设计准则发生改变，目前高损伤容限钛合金成为钛合金的一个重要研究领域，以TC4-DT为代表的中强高韧性损伤容限结构钛合金以其良好的室温、高温强度、蠕变抗力、热稳定性、疲劳性能、断裂韧性、裂纹扩展和抗应力腐蚀等性能，成为目前航空制造领域中应用中最为成熟和使用量最大的钛合金。该合金在网篮组织或者魏氏组织下具有较高的断裂韧性，但其强塑性较低。为了适应飞机传动系统环境的应用，设计工作者对材料的性能提出了更高的要求，要求在保证传动系统高疲劳性能的前提下，使合金的强度-塑性-韧性达到良好匹配，并对材料微观结构进行了限定，即表现为均匀的等轴组织。
一般等轴组织具有高的疲劳强度，但其断裂韧性较低，通过对合金元素含量及组织结构的调控设计可提高合金的断裂韧性，但结合应用指标的要求(KIC≥88MPa.m1/2)，通过常规加工很难达到综合性能的良好匹配。目前为了达到均匀的等轴组织结构以及强塑性匹配的要求，通常在加工过程中需要采用相变点以上至少3火次的大变形镦拔锻造和相变点以下不低于5火次的大变形量镦拔锻造技术，在生产过程中采用了相变点上下累计超过8火次的镦拔锻造，以获得均匀细小的等轴组织，该工艺锻造火次多，工时长，生产效率较低，这也是目前军品市场的现状，即为了获得满足性能要求的产品不惜成本代价。因此如何通过改进工艺来达到相同的性能指标已成为钛合金加工关键技术的重要组成部分。针对传统TC4-DT钛合金开展合金成分及工艺的调整，并结合组态调控是进一步挖掘材料性能潜力的有效途径。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法。该方法通过将钛合金铸锭采用相变点以上的开坯锻造、大变形均匀锻造技术和相变点以下的变形，再结合相变点以上较低温度的均匀化处理和相变点温度以下大变形锻造，仅需4火次的锻造工艺即可得到中强高韧钛合金中厚板材，在材料性能保证的前提下可大大缩短加工周期，降低加工成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，所述中强高韧钛合金中厚板材由以下质量分数的成分组成：Al：5.8％～6.5％，V：4.0％～4.5％，Fe：0.2％以下，O：0.06％～0.12％、C：0.05％以下、N：0.05％以下、H：0.0125％以下，余量为Ti；所述中强高韧钛合金中厚板材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛，Al-V中间合金，铝豆及TiO2粉末混合并压制成自耗电极，然后将自耗电极进行三次真空自耗熔炼，得到钛合金铸锭；
步骤二、将步骤一中得到的钛合金铸锭在β相变点以上100℃～200℃进行保温，然后进行开坯锻造后空冷，得到第一锻坯钛合金；所述开坯锻造为三镦三拔，累计变形量不小于75％，终锻温度不小于850℃；
步骤三、将步骤二中得到的第一锻坯钛合金在β相变点以上50℃～100℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后空冷，得到第二锻坯钛合金；所述每次镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于800℃；
步骤四、将步骤三中得到的第二锻坯钛合金在β相变点以下20℃～50℃进行保温，然后进行2～3次镦拔锻造后空冷，得到第三锻坯钛合金；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于60％，终锻温度不小于800℃；
步骤五、将步骤四中得到的第三锻坯钛合金在β相变点以上10℃～40℃进行保温，然后进行水冷，得到水冷钛合金锻坯；
步骤六、将步骤五中得到的水冷钛合金锻坯在β相变点以下20℃～50℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后整形，得到长方体锻坯；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于750℃；
步骤七、将步骤六中得到的板材坯料进行固溶时效处理后机加工，得到中强高韧钛合金中厚板材。
本发明通过采用0级海绵钛、Al-V中间合金、铝豆及TiO2粉末作为原料，压制成自耗电极，经过真空自耗熔炼制备得到钛合金铸锭，钛合金铸锭中V元素以Al-V中间合金的形式添加，氧元素含量通过添加TiO2粉末进行调控，通过控制钛合金主元素成分范围及间隙元素含量，合金主元素及间隙元素的控制可保证钛合金强度在一定的范围之内，使制备出的钛合金铸锭具有中强高韧损伤容限相匹配的特性。
本发明通过在相变点以上100℃～200℃保温后进行开坯锻造后空冷，接着在相变点以上50℃～100℃保温后进行大变形量镦拔锻造后空冷，采用相变点以上两火次大变形锻造技术，可充分破碎原始铸锭的粗大组织，获得相对均匀细小的组织形态，通过在相变点以下20℃～50℃保温后进行镦拔锻造后空冷，在相变点以下进行了一火次的镦拔锻造，一方面进一步破碎晶粒使组织更加细小均匀，另一方面控制一定的变形量为晶粒生长储存一定的畸变能，在后期的均匀化处理过程中由于畸变能的存在可使晶粒尺寸进一步均匀化，通过在相变点以上10℃～40℃进行低温均匀化处理后快速水冷，相变点以上保温可使组织结构在畸变能的驱动下更加均匀，使得整体组织为魏氏组织，表现为均匀的β晶粒，快速水冷过程会发生发马氏体转变，在粗大的β晶内形成细小的针状组织，析出针状α＇相，并保留了均匀的高温组织结构状态，为后期相变点以下的大变形锻造提供形核点，通过在相变点以下20℃～50℃保温后进行大变形量的均匀性镦拔锻造并整形获得倍尺板料，在后期变形过程针状晶粒破碎作为形核点在动态再结晶的作用下获得均匀细小的等轴组织，通过整形保证板材坯料各个表面的平整度，获得长方体状的板材坯料，通过固溶时效处理进行组态调控，调整等轴α相和次生相的比例及相的尺寸大小，进一步调整合金组织结构参数，使其达到所要求的组织和性能的良好匹配，通过机加工，将板材坯料进行刨面，去除表层氧化皮及保证各面平整度，然后进行线切割，切取所需板材的规格尺寸，得到中强高韧钛合金中厚板材。
上述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤一中所述三次真空自耗熔炼的过程中：第一次真空自耗熔炼的电流为3kA～9kA，真空度不大于4Pa，第二次真空自耗熔炼的电流为8kA～18kA，真空度不大于0.6Pa，第三次真空自耗熔炼的电流为15kA～20kA，真空度不大于0.6Pa，三次所述真空自耗熔炼的过程中熔炼电压均为30V～35V。
3、根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤二中所述钛合金铸锭为圆柱状铸锭，所述保温的时间t1＝η1×D1，其中，η1为加热系数，D1为钛合金铸锭的横截面直径，t1的单位为min，D1的单位为mm，η1为0.6～0.9。通过控制钛合金铸锭的形状和保温时间，使其被充分加热，有利于后续的锻造处理。
上述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤三中所述第一锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t2＝η2×D2，其中，η2为加热系数，D2为第一锻坯钛合金的最小厚度，t2的单位为min，D2的单位为mm，η2为0.6～0.8。通过控制第一锻坯钛合金的形状和保温时间，使其被充分加热，有利于后续的锻造处理。
上述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤四中所述第二锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t3＝η3×D3，其中，η3为加热系数，D3为第二锻坯钛合金的最小厚度，t3的单位为min，D3的单位为mm，η3为0.5～0.6。通过控制第二锻坯钛合金的形状和保温时间，使其被充分加热，有利于后续的锻造处理。
上述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤五中所述第三锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t4＝η4×D4，其中，η4为加热系数，D4为第三锻坯钛合金的最小厚度，t4的单位为min，D4的单位为mm，η4为0.5～0.7。通过控制第三锻坯钛合金的形状和保温时间，使其被充分加热，有利于后续的锻造处理。
上述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤六中所述水冷钛合金锻坯为长方体结构，所述保温的时间t5＝η5×D5，其中，η5为加热系数，D5为水冷钛合金的最小厚度，t5的单位为min，D5的单位为mm，η5为0.5～0.8。通过控制水冷钛合金的形状和保温时间，使水冷钛合金被充分加热，有利于后续的锻造处理。
上述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤七中所述组态调控为在β相变点以下进行固溶时效处理。钛合金在变形后为了改善合金的组织及性能，需要进行热处理，固溶时效处理是对钛合金热处理强化的一种主要手段，固溶处理的目的是保留产生时效强化的马氏体α＇相和亚稳定相，时效的目的是促进固溶处理产生的亚稳定相发生分解，引起强化，通过在β相变点以下进行固溶时效处理，保证材料的强度和塑性在一定范围，进一步调整合金组织结构参数，使其达到所要求的组织和性能的良好匹配。
上述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤三、步骤四和步骤六中所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方。镦粗过程通过倒棱角以减小变形死区并避免拔长过程端部凹陷，拔长过程注意对角拔方可以减小变形死区并避免镦粗过程不均匀的变形导致的表面折叠。
上述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤七中所述中强高韧钛合金中厚板材的厚度为25mm～180mm，所述中强高韧钛合金中厚板材的Rm不小于862MPa，RP0.2不小于793MPa，其中Rm为抗拉强度，RP0.2为非比例延伸率为0.2％时的延伸强度。本发明制备厚度为25mm～180mm的板材主要是为直升机主减速器前、后撑杆耳片和万向节环等零部件提供原材料，采用本发明所得板材属于锻件，无轧制工序，通过锻造制备成所需板材的倍尺，目前倍尺厚度最大为180mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过将钛合金铸锭采用相变点以上的开坯锻造、大变形均匀锻造技术和相变点以下的变形，再结合相变点以上较低温度的均匀化处理和相变点温度以下大变形锻造，仅需4火次的锻造工艺即可得到中强高韧钛合金中厚板材，在得到第三锻坯钛合金后采用了高温均匀化处理水冷和两相区多次镦拔锻造技术，通过高温均匀化处理可以保证第三锻坯钛合金在相变点以下锻造的组织在热力学的作用下全部转变成β组织，并可均匀化晶粒尺寸，随后的水冷可使β晶粒内部析出针状马氏体，在随后的锻造过程中，粗大的β晶粒及晶内针状马氏体组织破碎，变形过程在变形力及动态再结晶的作用下获得均匀细小的等轴组织，在材料性能保证的前提下可大大缩短加工周期，降低加工成本。
2、本发明仅采用了一次高温均匀化水冷处理，避免了每一火次锻造变形后在高应力状态下的水冷造成的内应力过大导致的表面开裂，以及后期修磨造成的材料的浪费。
3、本发明通过控制钛合金元素成分在一定的范围之内，如α稳定元素Al和O元素分别控制在5.8～6.5％，0.06～0.12％范围之内，可确保钛合金强度及塑性在一定的范围之内，改善钛合金强度，使钛合金强塑韧性在一定范围之内调控。
4、本发明采用相变点以上两火次分别3次镦拔的大变形锻造技术，可充分破碎原始铸锭的粗大组织，获得相对均匀细小的组织形态。
5、本发明在两火次相变点以上大变形锻造后，在相变点以下进行了一火次的镦拔锻造，一方面进一步破碎晶粒使组织更加细小均匀，另一方面一定量的变形量可储存畸变能，在后期的均匀化处理过程中由于畸变能的存在导致晶粒尺寸进一步均匀化，为后续均匀的组织提供保障。
6、本发明采用β相区较低温均匀化处理和快速水冷使得整体组织为魏氏组织，表现为均匀的β晶粒，快速水冷过程会发生马氏体转变，在粗大的β晶内形成细小的针状组织，为后期相变点以下的大变形锻造存储形核点，以便在后期变形过程针状晶粒破碎，在动态再结晶的作用下晶粒球化获得均匀细小的等轴组织。
7、本发明组态调控采用固溶时效工艺可调整等轴α相和次生相的比例及相的尺寸大小，使其达到所要求的组织和性能的良好匹配。
8、采用本发明的技术制备的中强高韧钛合金中厚板坯，表面质量平整，尺寸精度高，提高了生产效率，属于高效短流程加工技术。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的水冷钛合金锻坯的金相组织图。
图2是本发明实施例1制备的中强高韧钛合金中厚板材的金相组织图。
图3是本发明实施例2制备的中强高韧钛合金中厚板材的金相组织图。
图4是本发明实施例3制备的中强高韧钛合金中厚板材的金相组织图。
图5是本发明实施例4制备的中强高韧钛合金中厚板材的金相组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛，Al-V中间合金，铝豆及TiO2粉末混合并压制成自耗电极，然后将自耗电极进行三次真空自耗熔炼，得到直径为460mm的Ti-6.3Al-4.2V-0.08O钛合金铸锭；所述三次真空自耗熔炼的过程中：第一次真空自耗熔炼的电流为9kA，真空度不大于4Pa，第二次真空自耗熔炼的电流为14kA，真空度不大于0.6Pa，第三次真空自耗熔炼的电流为18kA，真空度不大于0.6Pa，三次所述真空自耗熔炼的过程中熔炼电压均为30V～35V；所述钛合金铸锭中Fe的质量分数不大于0.02％，C的质量分数不大于0.01％，N的质量分数不大于0.005％，H的质量分数不大于0.0041％；
步骤二、将步骤一中得到的钛合金铸锭在β相变点以上200℃进行保温，然后进行开坯锻造后空冷，得到第一锻坯钛合金；所述开坯锻造为三镦三拔，累计变形量不小于75％，终锻温度不小于850℃；所述钛合金铸锭为圆柱状铸锭，所述保温的时间t1＝η1×D1，其中，η1为0.6，D1为460，t1的单位为min，D1的单位为mm；
步骤三、将步骤二中得到的第一锻坯钛合金在β相变点以上100℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后空冷，得到第二锻坯钛合金；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于800℃；所述第一锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t2＝η2×D2，其中，η2为0.7，D2为280，t2的单位为min，D2的单位为mm；所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤四、将步骤三中得到的第二锻坯钛合金在β相变点以下20℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后空冷，得到第三锻坯钛合金；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于60％，终锻温度不小于800℃；所述第二锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t3＝η3×D3，其中，η3为0.6，D3为220，t3的单位为min，D3的单位为mm；所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤五、将步骤四中得到的第三锻坯钛合金在β相变点以上30℃进行保温，然后进行水冷，得到水冷钛合金锻坯；所述第三锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t4＝η4×D4，其中，η4为0.6，D4为200，t4的单位为min，D4的单位为mm；
步骤六、将步骤五中得到的水冷钛合金锻坯在β相变点以下40℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后整形，得到板材坯料；所述每次镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于750℃；所述水冷钛合金锻坯为长方体结构，所述保温的时间t5＝η5×D5，其中，η5为0.7，D5为200，t5的单位为min，D5的单位为mm；所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤七、将步骤六中得到的板材坯料进行固溶时效处理后进行机加工，得到中强高韧钛合金中厚板材；所述组态调控为在945℃下保温1.5h，然后在550℃下保温4h；所述中强高韧钛合金中厚板材的厚度为25mm。
经检测，本实施例制备的Ti-6.3Al-4.2V-0.08O钛合金铸锭的化学成分如表1所示，从表1中可以看出，本实施例制备的钛合金铸锭的上部、中部和下部的各元素含量近似，制备的钛合金铸锭成分均匀。
本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材的室温力学性能如表2所示，从表2中可以看出，对本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材取1#和2#试样，进行室温力学性能检测，中强高韧钛合金中厚板材具有较高的强塑性水平，表2中的指标是指现有技术中该类钛合金的参数，可以看出本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板的性能优于现有技术中该类钛合金。
表1实施例1钛合金铸锭的化学成分百分比(wt％)
Figure BDA0003182099980000101
表2实施例1中强高韧钛合金中厚板材的室温力学性能
试样编号 Rm(MPa) R<sub>P0.2</sub>(Mpa) A(％) Z(％) KIC(MPa.m<sup>1/2</sup>)
1# 921 852 16.5 49 95.2
2# 913 845 18.0 51 97.3
指标 ≥862 ≥793 ≥10 / 88
图1是本实施例制备的水冷钛合金锻坯的金相组织图，从图1中可以看出，水冷钛合金锻坯的组织为魏氏组织并包含细小的针状组织。
图2是本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材的金相组织图，从图2中可以看出，中强高韧钛合金中厚板材的组织为典型的(α+β)等轴组织，无原始β晶界，通过处理获得的图片等轴α相含量不小于40％。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛，Al-V中间合金，铝豆及TiO2粉末混合并压制成自耗电极，然后将自耗电极进行三次真空自耗熔炼，得到直径为560mm的Ti-6.2Al-4.05V-0.08O钛合金铸锭；所述三次真空自耗熔炼的过程中：第一次真空自耗熔炼的电流为3kA，真空度不大于4Pa，第二次真空自耗熔炼的电流为18kA，真空度不大于0.6Pa，第三次真空自耗熔炼的电流为20kA，真空度不大于0.6Pa，三次所述真空自耗熔炼的过程中熔炼电压均为30V～35V；所述钛合金铸锭中Fe的质量分数不大于0.02％，C的质量分数不大于0.01％，N的质量分数不大于0.016％，H的质量分数不大于0.0033％；
步骤二、将步骤一中得到的钛合金铸锭在β相变点以上150℃进行保温，然后进行开坯锻造后空冷，得到第一锻坯钛合金；所述开坯锻造为三镦三拔，累计变形量不小于75％，终锻温度不小于850℃；所述钛合金铸锭为圆柱状铸锭，所述保温的时间t1＝η1×D1，其中，η1为0.8，D1为420，t1的单位为min，D1的单位为mm；
步骤三、将步骤二中得到的第一锻坯钛合金在β相变点以上50℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后空冷，得到第二锻坯钛合金；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于800℃；所述第一锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t2＝η2×D2，其中，η2为0.8，D2为340，t2的单位为min，D2的单位为mm；所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤四、将步骤三中得到的第二锻坯钛合金在β相变点以下50℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后空冷，得到第三锻坯钛合金；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于60％，终锻温度不小于800℃；所述第二锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t3＝η3×D3，其中，η3为0.5，D3为280，t3的单位为min，D3的单位为mm；所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤五、将步骤四中得到的第三锻坯钛合金在β相变点以上40℃进行保温，然后进行水冷，得到水冷钛合金锻坯；所述第三锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t4＝η4×D4，其中，η4为0.5，D4为240，t4的单位为min，D4的单位为mm；
步骤六、将步骤五中得到的水冷钛合金锻坯在β相变点以下20℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后整形，得到板材坯料；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于750℃；所述水冷钛合金锻坯为长方体结构，所述保温的时间t5＝η5×D5，其中，η5为0.8，D5为240，t5的单位为min，D5的单位为mm；所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤七、将步骤六中得到的板材坯料进行固溶时效处理后进行机加工，得到中强高韧钛合金中厚板材；所述组态调控为在955℃下保温1.5h，然后在550℃下保温4h；所述中强高韧钛合金中厚板材的厚度为35mm。
经检测，本实施例制备的Ti-6.2Al-4.05V-0.08O钛合金铸锭的化学成分如表3所示，从表3中可以看出，本实施例制备的钛合金铸锭的上部、中部和下部的各元素含量近似，制备的钛合金铸锭成分均匀。
本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材的室温力学性能如表4所示，从表4中可以看出，对本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材取3#和4#试样，进行室温力学性能检测，中强高韧钛合金中厚板材具有较高的强塑性水平，表4中的指标是指现有技术中该类钛合金的参数，可以看出本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板的性能优于现有技术中该类钛合金。
表3实施例2钛合金铸锭的化学成分百分比(wt％)
Figure BDA0003182099980000121
表4实施例2中强高韧钛合金中厚板材的室温力学性能
试样编号 Rm(MPa) RP<sub>0.2</sub>(Mpa) A(％) Z(％) KIC(MPa.m<sup>1/2</sup>)
3# 950 892 13.5 55 105
4# 962 904 14.0 52 96
指标 ≥862 ≥793 ≥10 / 88
图3是本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材的金相组织图，从图3中可以看出，中强高韧钛合金中厚板材的组织为典型的等轴组织，无原始β晶界，通过处理可以得出等轴α相含量不小于50％得组织。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛，Al-V中间合金，铝豆及TiO2粉末混合并压制成自耗电极，然后将自耗电极进行三次真空自耗熔炼，得到直径为520mm的Ti-6.5Al-4.0V-0.12O钛合金铸锭；所述三次真空自耗熔炼的过程中：第一次真空自耗熔炼的电流为6kA，真空度不大于4Pa，第二次真空自耗熔炼的电流为8kA，真空度不大于0.6Pa，第三次真空自耗熔炼的电流为15kA，真空度不大于0.6Pa，三次所述真空自耗熔炼的过程中熔炼电压均为30V～35V；所述钛合金铸锭中Fe的质量分数不大于0.04％，C的质量分数不大于0.011％，N的质量分数不大于0.008％，H的质量分数不大于0.005％；
步骤二、将步骤一中得到的钛合金铸锭在β相变点以上100℃进行保温，然后进行开坯锻造后空冷，得到第一锻坯钛合金；所述开坯锻造为三镦三拔，累计变形量不小于75％，终锻温度不小于850℃；所述钛合金铸锭为圆柱状铸锭，所述保温的时间t1＝η1×D1，其中，η1为0.9，D1为400，t1的单位为min，D1的单位为mm；
步骤三、将步骤二中得到的第一锻坯钛合金在β相变点以上80℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后空冷，得到第二锻坯钛合金；所述每次镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于800℃；所述第一锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t2＝η2×D2，其中，η2为0.6，D2为320，t2的单位为min，D2的单位为mm；所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤四、将步骤三中得到的第二锻坯钛合金在β相变点以下40℃进行保温，然后进行2次镦拔锻造后空冷，得到第三锻坯钛合金；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于60％，终锻温度不小于800℃；所述第二锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t3＝η3×D3，其中，η3为0.5，D3为280，t3的单位为min，D3的单位为mm；所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤五、将步骤四中得到的第三锻坯钛合金在β相变点以上10℃进行保温，然后进行水冷，得到水冷钛合金锻坯；所述第三锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t4＝η4×D4，其中，η4为0.7，D4为220，t4的单位为min，D4的单位为mm；
步骤六、将步骤五中得到的水冷钛合金锻坯在β相变点以下50℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后整形，得到板材坯料；所述每次镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于750℃；所述水冷钛合金锻坯为长方体结构，所述保温的时间t5＝η5×D5，其中，η5为0.5，D5为220，t5的单位为min，D5的单位为mm；所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤七、将步骤六中得到的板材坯料进行固溶时效处理后进行机加工，得到中强高韧钛合金中厚板材；所述组态调控为在962℃下保温1.5h，然后在550℃下保温4h；所述中强高韧钛合金中厚板材的厚度为70mm。
经检测，本实施例制备的Ti-6.5Al-4.0V-0.12O钛合金铸锭的化学成分如表5所示，从表5中可以看出，本实施例制备的钛合金铸锭的上部、中部和下部的各元素含量近似，制备的钛合金铸锭成分均匀。
本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材的室温力学性能如表6所示，从表6中可以看出，对本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材取5#和6#试样，进行室温力学性能检测，中强高韧钛合金中厚板材具有较高的强塑性水平，表6中的指标是指现有技术中该类钛合金的参数，可以看出本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板的性能优于现有技术中该类钛合金。
表5实施例3钛合金铸锭的化学成分百分比(wt％)
Figure BDA0003182099980000151
表6实施例3中强高韧钛合金中厚板材的室温力学性能
试样编号 Rm(MPa) RP<sub>0.2</sub>(Mpa) A(％) Z(％) KIC(MPa.m<sup>1/2</sup>)
5# 965 898 12.5 50 100
6# 968 910 13.0 48 94
指标 ≥862 ≥793 ≥10 / 88
图4是本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材的金相组织图，从图3中可以看出，中强高韧钛合金中厚板材的组织为典型的等轴组织，无原始β晶界，通过处理可以得出等轴α相含量不小于45％的组织。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛，Al-V中间合金，铝豆及TiO2粉末混合并压制成自耗电极，然后将自耗电极进行三次真空自耗熔炼，得到直径为500mm的Ti-5.8Al-4.5V-0.06O钛合金铸锭；所述三次真空自耗熔炼的过程中：第一次真空自耗熔炼的电流为7kA，真空度不大于4Pa，第二次真空自耗熔炼的电流为10kA，真空度不大于0.6Pa，第三次真空自耗熔炼的电流为17kA，真空度不大于0.6Pa，三次所述真空自耗熔炼的过程中熔炼电压均为30V～35V；所述钛合金铸锭中Fe的质量分数不大于0.04％，C的质量分数不大于0.011％，N的质量分数不大于0.015％，H的质量分数不大于0.0047％；
步骤二、将步骤一中得到的钛合金铸锭在β相变点以上180℃进行保温，然后进行开坯锻造后空冷，得到第一锻坯钛合金；所述开坯锻造为三镦三拔，累计变形量不小于75％，终锻温度不小于850℃；所述钛合金铸锭为圆柱状铸锭，所述保温的时间t1＝η1×D1，其中，η1为0.7，D1为380，t1的单位为min，D1的单位为mm；
步骤三、将步骤二中得到的第一锻坯钛合金在β相变点以上70℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后空冷，得到第二锻坯钛合金；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于800℃；所述第一锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t2＝η2×D2，其中，η2为0.7，D2为300，t2的单位为min，D2的单位为mm；每次所述镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤四、将步骤三中得到的第二锻坯钛合金在β相变点以下30℃进行保温，然后进行2次镦拔锻造后空冷，得到第三锻坯钛合金；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于60％，终锻温度不小于800℃；所述第二锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t3＝η3×D3，其中，η3为0.6，D3为240，t3的单位为min，D3的单位为mm；每次所述镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤五、将步骤四中得到的第三锻坯钛合金在β相变点以上20℃进行保温，然后进行水冷，得到水冷钛合金锻坯；所述第三锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t4＝η4×D4，其中，η4为0.6，D4为220，t4的单位为min，D4的单位为mm；
步骤六、将步骤五中得到的水冷钛合金锻坯在β相变点以下30℃进行保温，然后进行3次镦拔锻造后整形，得到板材坯料；每次所述镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于750℃；所述水冷钛合金锻坯为长方体结构，所述保温的时间t5＝η5×D5，其中，η5为0.6，D5为220，t5的单位为min，D5的单位为mm；每次所述镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方；
步骤七、将步骤六中得到的板材坯料进行固溶时效处理后进行机加工，得到中强高韧钛合金中厚板材；所述组态调控为在950℃下保温1.5h，然后在550℃下保温4h；所述中强高韧钛合金中厚板材的厚度为45mm。
经检测，本实施例制备的Ti-5.8Al-4.5V-0.06O钛合金铸锭的化学成分如表7所示，从表7中可以看出，本实施例制备的钛合金铸锭的上部、中部和下部的各元素含量近似，制备的钛合金铸锭成分均匀。
本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材的室温力学性能如表8所示，从表8中可以看出，对本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材取7#和8#试样，进行室温力学性能检测，中强高韧钛合金中厚板材具有较高的强塑性水平，表8中的指标是指现有技术中该类钛合金的参数，可以看出本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板的性能优于现有技术中该类钛合金。
表7实施例4钛合金铸锭的化学成分百分比(wt％)
Figure BDA0003182099980000171
表8实施例4中强高韧钛合金中厚板材的室温力学性能
试样编号 Rm(MPa) RP<sub>0.2</sub>(Mpa) A(％) Z(％) KIC(MPa.m<sup>1/2</sup>)
7# 930 885 14.5 52 108
8# 935 870 15.0 54 98
指标 ≥862 ≥793 ≥10 / 88
图5是本实施例制备的中强高韧钛合金中厚板材的金相组织图，从图3中可以看出，中强高韧钛合金中厚板材的组织为典型的等轴组织，无原始β晶界，通过处理可以得出等轴α相含量不小于45％的组织。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，所述中强高韧钛合金中厚板材由以下质量分数的成分组成：Al 5.8％～6.5％，V 4.0％～4.5％，Fe 0.2％以下，O 0.06％～0.12％、C 0.05％以下、N 0.05％以下、H 0.0125％以下，余量为Ti；所述中强高韧钛合金中厚板材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛，Al-V中间合金，铝豆及TiO2粉末混合并压制成自耗电极，然后将自耗电极进行三次真空自耗电弧熔炼，得到钛合金铸锭；
步骤二、将步骤一中得到的钛合金铸锭在β相变点以上100℃～200℃进行保温，然后进行开坯锻造后空冷，得到第一锻坯钛合金；所述开坯锻造为三镦三拔，累计变形量不小于75％，终锻温度不小于850℃；
步骤三、将步骤二中得到的第一锻坯钛合金在β相变点以上50℃～100℃进行保温，然后进行三镦三拔锻造后空冷，得到第二锻坯钛合金；所述每次镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于800℃；
步骤四、将步骤三中得到的第二锻坯钛合金在β相变点以下20℃～50℃进行保温，然后进行2～3次镦拔锻造后空冷，得到第三锻坯钛合金；所述每次镦拔锻造的变形量均不小于60％，终锻温度不小于800℃；
步骤五、将步骤四中得到的第三锻坯钛合金在β相变点以上10℃～40℃进行保温，然后进行水冷，得到水冷钛合金锻坯；
步骤六、将步骤五中得到的水冷钛合金锻坯在β相变点以下20℃～50℃进行保温，然后进行三镦三拔锻造后整形，得到板材坯料；所述每次镦拔锻造的变形量均不小于80％，终锻温度不小于750℃；
步骤七、将步骤六中得到的板材坯料进行固溶时效处理后进行机加工，得到中强高韧钛合金中厚板材。
2.根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤一中所述三次真空自耗熔炼的过程中：第一次真空自耗熔炼的电流为3kA～9kA，真空度不大于4Pa，第二次真空自耗熔炼的电流为8kA～18kA，真空度不大于0.6Pa，第三次真空自耗熔炼的电流为15kA～20kA，真空度不大于0.6Pa，三次所述真空自耗熔炼的过程中熔炼电压均为30V～35V。
3.根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤二中所述钛合金铸锭为圆柱状铸锭，所述保温的时间t1＝η1×D1，其中，η1为加热系数，D1为钛合金铸锭的横截面直径，t1的单位为min，D1的单位为mm，η1为0.6～0.9。
4.根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤三中所述第一锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t2＝η2×D2，其中，η2为加热系数，D2为第一锻坯钛合金的最小厚度，t2的单位为min，D2的单位为mm，η2为0.6～0.8。
5.根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤四中所述第二锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t3＝η3×D3，其中，η3为加热系数，D3为第二锻坯钛合金的最小厚度，t3的单位为min，D3的单位为mm，η3为0.5～0.6。
6.根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤五中所述第三锻坯钛合金为长方体结构，所述保温的时间t4＝η4×D4，其中，η4为加热系数，D4为第三锻坯钛合金的最小厚度，t4的单位为min，D4的单位为mm，η4为0.5～0.7。
7.根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤六中所述水冷钛合金锻坯为长方体结构，所述保温的时间t5＝η5×D5，其中，η5为加热系数，D5为水冷钛合金的最小厚度，t5的单位为min，D5的单位为mm，η5为0.5～0.8。
8.根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤七中所述组态调控为在β相变点以下进行固溶时效处理。
9.根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤三、步骤四和步骤六中所述每次镦拔锻造中的镦粗过程中进行倒棱角，拔长过程中进行对角拔方。
10.根据权利要求1所述的一种中强高韧钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于，步骤七中所述中强高韧钛合金中厚板材的厚度为25mm～180mm，所述中强高韧钛合金中厚板材的Rm不小于862MPa，屈服强度RP0.2不小于793MPa，其中Rm为抗拉强度，RP0.2为非比例延伸率为0.2％时的延伸强度。
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