[发明专利]一种低成本高硬度钛合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种低成本高硬度钛合金及其制备方法，合金组分按重量百分比计为Ti：65.0‑80.0％，Fe：15％‑25％，Si：2.5‑5％，Cr：2.5‑5％。本发明添加了大量的廉价合金元素：Fe、Si、Cr，大大降低了成本；Fe、Si、Cr元素为β相稳定元素，还可实现明显固溶强化，大幅提高钛合金硬度，该种钛合金的硬度可达HRC60以上；并且本发明的组分配比只有四种组分，组分配比简单，便于工艺控制，保持稳定的合金生产质量；另外制备该种低成本高硬度钛合金的方法工艺简单，便于实现产业应用。

技术领域

本发明涉及钛合金领域，尤其涉及一种低成本高硬度钛合金及其制备方法。

背景技术

近年来，随着科技的发展，在需求牵引和技术推动的共同作用下，我国陆续完成了多种装备的技术更新和升级换代，取得显著的效益，新材料在其中作用尤其关键。钛合金具有比强度高、密度低和耐腐蚀性能优异等诸多优点，被广泛地应用于航空、航天、化工、海洋工程、船舶及兵器等工业领域。但是钛合金材料与构件成本高，且普遍存在硬度低，耐磨性能差等缺点，在很大程度上影响了钛及钛合金产品的进一步开发与应用。

目前，常用钛合金的硬度值在HRC24-36范围内：例如工业纯钛(TA1、TA2,TA3) 的硬度值约为HRC24-32；TC4(Ti-6A1-4V)与TA7(Ti-5A1-2.5Sn)的硬度约为HRC 35-36。

为了提高钛合金的硬度，现有技术中通常采用表面处理、改变热处理工艺或改变组分配比等方式。采用表面处理的，可参见公开号为CN102703845A的中国发明《一种 TC4钛合金表面高硬度的电火花强化工艺》，该专利申请公开了采用混粉准干式电火花表面强化方法对TC4钛合金进行强化，工作介质中混入的固体粉末材料分别为碳粉、 B4C粉、及C与B4C混合粉。混粉准干式电火花表面强化过程中实验参数为：脉冲间隔toff＝150μs，脉冲宽度ton＝150μs，脉冲电流ie＝14A，电源极间放电电压为120V，加工深度h＝0.1mm，工具电极为石墨。可见，该类方法一般工艺较为复杂，对设备要求较高，成本也较高。

改变热处理工艺的，可参见公开号为CN109023190A的中国发明《一种提高TC21 两相钛合金硬度的热处理方法》，该专利申请公开了将锻造后的钛合金先淬火热处理后时效处理的热处理工艺；其中淬火热处理中光淬火前的保温就需要4～8小时，时效处理中的保温也要4小时～6小时。可见，采用热处理工艺不但工艺复杂，还要花费较多时间，生产效率较低。

改变组分配比，可参见公开号为CN101343705A的中国发明专利《一种高硬度铸造用钛合金及制备方法》，该专利申请其特征是主要化学成分按质量百分比计Al为5.5～7.0％、Zr为1.5～2.5％、Mo为0.5～2.0％、V为0.8～2.5％、Cr为1.5～4％；杂质元素含量控制在C≤0.10％、Si≤0.15％、Fe≤0.25％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量为Ti，该专利申请的硬度可以提高到HRC38～42范围内。可见，该种方法工艺简单，也不需要增加额外的设备，生产效率较高，值得大力推广，但该种方法往往需要添加Zr、Mo、V等较为昂贵的金属来改善性能，大大增加了成本。为了降低成本，有公开号为CN101343705A的中国发明《高硬度钛合金及其制造方法》，公开了在钛中加入Fe、Cr、Al、B、N、Si、C、Zr八种能降低制作成本的廉价合金元素，其含量的重量百分数为：Fe：0.1-5％，Cr：≤20％，Al：≤8％，B：≤1％，N：0.006-0.5％，Si：0.05-5％， C：0.05-5％，Zr：≤4％，余量为Ti及其它不可避免的杂质。该种钛合金的硬度可以达到HRC48～54，但该种钛合金依旧需要使用较为昂贵的Zr，并且在钛中需要加入八种其他元素，组分配比较为复杂。

因此，需要一种成本更低、组分配比更简单又硬度较高的钛合金。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种成本较低、组分配比简单又硬度较高的低成本高硬度钛合金。