本發明涉及一種鈦合金及其型材制備方法，特別是涉及一種低釩低鉬、超低釩超低鉬或無釩無鉬的單相態鈦合金及其型材制備方法，應用于低成本鈦合金材料制備技術領域。
背景技術：
此外，鈦及鈦合金因無毒、質輕、強度高且具有優良的生物相容性等特點成為了醫學領域里非常理想的醫用金屬材料，可用作植入人體的植入物等。
α 合金在室溫和使用溫度下具有 α 型單相態，不能熱處理強化，主要依靠固溶強化。室溫強度一般低于 β 型和 α+β 型鈦合金，而在500-600℃高溫下的強度卻是三類鈦合金中最高的，且組織穩定，抗氧化性和焊接性能好，耐蝕性和可切削加工性能也較好，但室溫沖壓性能差，塑性低，而熱塑性仍然良好。其中使用最廣的是TA7，它在退火狀態下具有中等強度和足夠的塑性，焊接性能良好，可在500℃以下使用，當其氧、氫、氮等間隙雜質元素含量極低時，在超低溫時還具有良好的韌性和綜合力學性能，是優良的超低溫合金之一，但其強度還不夠理想，加工工藝塑性也不太理想，影響了其有關材料領域的廣泛應用。
技術實現要素：
為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金及其板材和棒材的制備方法，使用了廉價的合金元素Fe、Cr、Zr作為鈦合金的強化元素，本發明 α 鈦合金的室溫強度不低于1000Mpa，利用本發明可以進一步擴大 α 鈦合金的使用范圍。
為達到上述發明創造目的，本發明采用下述技術方案：
一種含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其組分的質量百分數為：5.0-7.0wt%的鋁，0.3-1.0wt%的鐵，3.0-4.0wt%的鉻、0.3-1.0wt%的鋯，余量為鈦和不可避免的雜質。
作為本發明優選的技術方案，其組分的質量百分數為：5.99-6.11wt%的鋁、0.73-0.81wt%的鐵、3.5-3.69wt%的鉻、0.77-0.87wt%的鋯、0-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氫，余量為鈦。
作為本發明進一步優選的技術方案，其組分的質量百分數為：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯、0-0.05wt%的氧、0-0.001wt%的氮、0-0.001wt%的碳、0-0.001wt%的氫，余量為鈦。
一種含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的板材制備方法，當將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進行配料時，按照下述原料組分的質量百分數，進行原料組分材料稱量：5.0-7.0wt%的鋁，0.3-1.0wt%的鐵，3.0-4.0wt%的鉻、0.3-1.0wt%的鋯，余量為鈦，將完成配料后的各原料組分材料置入箱式電阻爐中，在箱式電阻爐中，對各原料組分材料進行預處理，在120-150℃的預處理溫度下保溫10-12 h，然后再將各原料組分材料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復熔煉3-5次制成鑄錠，再將所得鑄錠加熱到780-820℃，在橫列式軋機上將鑄錠軋制成厚度為6-8mm的 α 鈦合金板材。優選采用真空退火的熱處理方式對所制備的 α 鈦合金板材進行軋制后熱處理，控制退火溫度為500-520℃，保溫時間為1.5-2.5 h，冷卻方式為空冷。
一種含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的棒材制備方法，當將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進行配料時，按照下述原料組分的質量百分數，進行原料組分材料稱量：5.0-7.0wt%的鋁，0.3-1.0wt%的鐵，3.0-4.0wt%的鉻、0.3-1.0wt%的鋯，余量為鈦，將完成配料后的各原料組分材料混合后采用擠壓法制成電極塊，然后在真空等離子箱內焊接成真空電極，然后通過3-5次真空自耗電極電弧熔煉制成鑄錠，鑄錠在1000-1100℃溫度下經過開坯鍛造成直徑Φ40-50 mm的軋制棒坯，然后棒坯加熱到780-820℃，在橫列式軋機上軋制成直徑Φ18-20 mm的 α 鈦合金棒材。優選采用真空退火的熱處理方式對所制備的 α 鈦合金棒材進行軋制后熱處理，控制退火溫度為500-520℃，保溫時間為1.5-2.5 h，冷卻方式為空冷。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點：
1. 本發明制備的 α 鈦合金含有Fe、Cr、Zr合金元素，代替傳統含鉬和釩的鈦合金，成本顯著降低，適用于更多對材料成本敏感的應用領域；
2. 本發明 α 鈦合金退火后為 α 單相組織，其室溫強度不低于1000Mpa，高于TA7的室溫強度，利用本發明 α鈦合金能進一步擴大 α 鈦合金的使用范圍。
具體實施方式
本發明的優選實施例詳述如下：
實施例一：
在本實施例中，一種含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其合金組分的質量百分數為：5.99wt%的鋁、0.73wt%的鐵、3.52wt%的鉻、0.77wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。
本實施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的板材制備方法，首先將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進行配料，按照下述原料組分的質量百分數，進行原料組分材料稱量：5.99wt%的鋁、0.73wt%的鐵、3.52wt%的鉻、0.77wt%的鋯，其它原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料置入箱式電阻爐中，在箱式電阻爐中，對各原料組分材料進行預處理，在150℃的預處理溫度下保溫12 h，然后再將各原料組分材料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復熔煉4次制成鑄錠，再將所得鑄錠加熱到800℃，在橫列式軋機上將鑄錠軋制成厚度為6-8mm的 α 鈦合金板材；然后采用真空退火的熱處理方式對所制備的 α 鈦合金板材按表2的熱處理制度進行軋制后熱處理，控制退火溫度為520℃，保溫時間為2 h，冷卻方式為空冷，最終制成 α 鈦合金板材的標準樣品，其合金組分含量見表1。然后參照GB/T228.1-2010，對 α 鈦合金板材的標準樣品進行室溫力學性能實驗測試，其力學性能測量結果見表2。
本實施例制備的 α 鈦合金板材的室溫抗拉強度大于1000Mpa，高于TA7的室溫強度，利用本實施例制備的 α 鈦合金能進一步擴大 α 鈦合金的使用范圍。
實施例二：
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于：
在本實施例中，一種含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其合金組分的質量百分數為：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。
本實施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的板材制備方法，首先將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻、純鋯進行配料，按照下述原料組分的質量百分數，進行原料組分材料稱量：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯，其它原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料置入箱式電阻爐中，在箱式電阻爐中，對各原料組分材料進行預處理，在150℃的預處理溫度下保溫12 h，然后再將各原料組分材料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復熔煉4次制成鑄錠，再將所得鑄錠加熱到800℃，在橫列式軋機上將鑄錠軋制成厚度為6-8mm的 α 鈦合金板材；然后采用真空退火的熱處理方式對所制備的 α 鈦合金板材按表4的熱處理制度進行軋制后熱處理，控制退火溫度為520℃，保溫時間為2 h，冷卻方式為空冷，最終制成 α 鈦合金板材的標準樣品，其合金組分含量見表3。然后參照GB/T228.1-2010，對 α 鈦合金板材的標準樣品進行室溫力學性能實驗測試，其力學性能測量結果見表4。
本實施例制備的 α 鈦合金板材的室溫抗拉強度大于1000Mpa，高于TA7的室溫強度，利用本實施例制備的 α 鈦合金能進一步擴大 α 鈦合金的使用范圍。
實施例三：
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：
在本實施例中，一種含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其合金組分的質量百分數為：6.11wt%的鋁、0.81wt%的鐵、3.69wt%的鉻、0.87wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦。
實施例含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金的棒材制備方法，其特征在于，將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進行配料，按照下述原料組分的質量百分數，進行原料組分材料稱量：6.11wt%的鋁、0.81wt%的鐵、3.69wt%的鉻、0.87wt%的鋯，其它原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料混合后采用擠壓法制成電極塊，然后在真空等離子箱內焊接成真空電極，然后通過4次真空自耗電極電弧熔煉制成鑄錠，鑄錠在1050℃溫度下經過開坯鍛造成直徑為Φ45mm的軋制棒坯，然后棒坯加熱到800℃，在橫列式軋機上軋制成直徑為Φ20mm的 α 鈦合金棒材；然后采用真空退火的熱處理方式對所制備的 α 鈦合金棒材按表6的熱處理制度進行軋制后熱處理，控制退火溫度為520℃，保溫時間為2h，冷卻方式為空冷，最終制成 α 鈦合金棒材的標準樣品，其合金組分含量見表5。然后參照GB/T228.1-2010，對 α 鈦合金棒材的標準樣品進行室溫力學性能實驗測試，其力學性能測量結果見表6。
本實施例制備的 α 鈦合金棒材的室溫抗拉強度大于1000Mpa，高于TA7的室溫強度，利用本實施例制備的 α 鈦合金能進一步擴大 α 鈦合金的使用范圍。
實施例四：
本實施例與前述實施例基本相同，特別之處在于：
在本實施例中，一種含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金，其合金組分的質量百分數為：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯、0.05wt%的氧、0.001wt%的氮、0.001wt%的碳、0.001wt%的氫，余量為鈦和不可避免的雜質。
實施例含Fe、Cr、Zr合金元素的α鈦合金的棒材制備方法，其特征在于，將海綿鈦、純鋁、純鐵、純鉻，純鋯進行配料，按照下述原料組分的質量百分數，進行原料組分材料稱量：6.0wt%的鋁、0.8wt%的鐵、3.5wt%的鉻、0.8wt%的鋯，其它原料為鈦，將完成配料后的各原料組分材料混合后采用擠壓法制成電極塊，然后在真空等離子箱內焊接成真空電極，然后通過4次真空自耗電極電弧熔煉制成鑄錠，鑄錠在1050℃溫度下經過開坯鍛造成直徑為Φ45mm的軋制棒坯，然后棒坯加熱到800℃，在橫列式軋機上軋制成直徑為Φ20mm的α鈦合金棒材；然后采用真空退火的熱處理方式對所制備的 α 鈦合金棒材按表8的熱處理制度進行軋制后熱處理，控制退火溫度為520℃，保溫時間為2h，冷卻方式為空冷，最終制成 α 鈦合金棒材的標準樣品，其合金組分含量見表7。然后參照GB/T228.1-2010，對 α 鈦合金棒材的標準樣品進行室溫力學性能實驗測試，其力學性能測量結果見表8。
本實施例制備的 α 鈦合金棒材的室溫抗拉強度大于1000Mpa，高于TA7的室溫強度，利用本實施例制備的 α 鈦合金能進一步擴大 α 鈦合金的使用范圍。
上面對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明含Fe、Cr、Zr合金元素的 α 鈦合金及其板材和棒材的制備方法的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。