本發明屬于合金棒材技術領域，具體涉及一種高強低密度鈮合金棒材及其制備方法。
背景技術：
我國航空航天及空間技術的高速發展對材料的性能提出了越來越高的要求，如我國登月項目、大型直升機等項目要求在使用溫度下，結構材料不僅有很高的高溫強度，優良的可加工性能，而且材料的比重要輕。
在高溫結構件材料中，高溫鈦合金高溫強度小，C/C復合材料可加工性差，常規C103、Nb521等鈮合金材料的密度大、價格高。高強低密度鈮基合金避開了上述缺陷，在鈮鈦鋁系合金中加入鎢、鉬等高熔點金屬元素來固溶強化合金；同時加入一定的低熔點合金元素來降低合金的密度，兩種措施同時發揮作用，獲得了降低合金密度的同時使合金能保持一定的高溫強度，滿足高溫結構件低比重的效果。
這種鈮合金材料具有低密度和優良的高溫強度，成為高溫環境下使用極具潛力的候選材料。然而，這種鈮合金由于合金化元素較多，合金化程度高，加工時對應力十分敏感，特別是棒材鍛造時，由于材料表面受拉應力的影響，極易鍛裂，阻礙了它的推廣應用。而且當前，采用真空電弧熔煉制備鑄錠時，由于熔煉時冷卻速度較快，鑄錠得不到完全平衡的組織，凝固過程中基體成分會不均勻，產生晶內偏析；另外，由于原料中不可避免含有一定量的氣體雜質元素，在熔煉時若氣體排出不完全，會在鑄錠內部形成氣孔。棒材鍛造時，這些顯微缺陷周圍易出現應力集中現象，而這種鈮合金的塑性較低，不易變形，棒材特易鍛裂，因此成品率極低，制備成本很高，阻礙它的推廣應用。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供了一種高強低密度鈮合金棒材。該鈮合金棒材室溫抗拉強度為900MPa～1200MPa、室溫延伸率為16％～25％，在1200℃條件下的抗拉強度為180MPa～200MPa，鈮合金的密度為6.5g/cm3～7g/cm3，由此證明該合金棒材具有優異的室溫和高溫強度，較好的室溫塑性，以及低的合金密度。
為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種高強低密度鈮合金棒材，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成：Ti 29％～31％，Al 4％～6％，W 4％～5％，Cr3％～5％，Zr0.8％～1.8％，Mo 0.3％～1％，余量為Nb和不可避免的雜質；所述高強低密度鈮合金是指該鈮合金的室溫抗拉強度為900MPa～1200MPa，室溫延伸率為16％～25％；1200℃的抗拉強度為180MPa～200MPa，密度為6.5g/cm3～7g/cm3。
上述的高強低密度鈮合金棒材，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成：Ti 29.5％～30.5％，Al 4.5％～5.5％，W 4％～5％，Cr3.5％～4.5％，Zr 1％～1.3％，Mo 0.4％～0.7％，余量為Nb和不可避免的雜質。
上述的高強低密度鈮合金棒材，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成：Ti 30％，Al 5％，W 4.5％，Cr4％，Zr1.1％，Mo 0.5％，余量為Nb 和不可避免的雜質。
另外，本發明還提供了一種制備上述的高強低密度鈮合金棒材的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
步驟一、將零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、鋁鎢合金、鋁鉬合金、核級海綿鋯和鈮棒壓制成電極塊，采用氬弧焊接將所述電極塊組焊成自耗電極；
步驟二、將步驟一中所述自耗電極置于真空自耗電弧熔煉爐內進行熔煉，得到鑄錠，切去所述鑄錠的冒口，除去所述鑄錠表皮氣孔和表面氧化皮；
步驟三、將步驟二中除去表皮氣孔和表面氧化皮后的鑄錠置于熱等靜壓爐中，在溫度為1500℃～1550℃，壓力為190MPa～200MPa的條件下熱等靜壓處理9h～15h；
步驟四、將步驟三中經熱等靜壓處理后的鑄錠在溫度為1050℃～1100℃，擠壓比為4～4.5的條件下擠壓開坯制成棒坯，切去所述棒坯的縮尾，除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋；
步驟五、將步驟四中除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋后的棒坯在溫度為1050℃～1150℃的條件下進行鍛造，得到高強低密度鈮合金棒材；所述鍛造的變形量為40％～60％。
上述的方法，其特征在于，步驟一中所述鋁豆的質量純度不小于99.9％；所述高純鉻的質量純度為99.9％。
上述的方法，其特征在于，步驟一中所述鋁鎢合金的牌號為AlW50。
上述的方法，其特征在于，步驟一中所述鋁鉬合金的牌號為AlMo80。
上述的方法，其特征在于，步驟一中所述鈮棒的牌號為Nb1。
上述的方法，其特征在于，步驟三中所述熱等靜壓處理的時間為14h～15h。
本發明與現有技術相比具有以下優點：
1、本發明采用熱加工技術和熱等靜壓處理技術相結合制備高強低密度鈮合金棒材，這種方法具有制造合金棒材的成品率高和制造成本低等優點，采用該方法制備的高強低密度鈮合金棒材組織均勻、晶粒細小，具有優良的室溫和高溫性能。
2、本發明制備的高強低密度鈮合金棒材，在熱等靜壓處理過程中消除了鑄錠內部的成分偏析和顯微縮孔等這些在壓力加工過程中易引起應力集中的缺陷，顯著提高了鑄錠的內部質量，使材料易鍛造成材，因此，本發明將熱等靜壓處理技術引入到棒材的制備技術中，使得制備的鑄錠具有優良的內部組織結構，極大地提高了合金棒材的成材率。
3、采用本發明的方法制備的高強低密度鈮合金棒材的室溫抗拉強度為900MPa～1200MPa，室溫延伸率為16％～25％；1200℃高溫強度為180MPa～200MPa；密度6.5g/cm3～7g/cm3，該合金棒材具有優良的室溫和高溫綜合性能以及低的密度，可將其應用于航天設備領域。
下面通過附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的詳細說明。
附圖說明
圖1為本發明實施例1制備的高強低密度鈮合金棒材的顯微組織圖。
具體實施方式
實施例1
本實施例的高強低密度鈮合金材料，由以下重量百分比的成分組成：Ti 30％，Al 5％，W 4.5％，Cr 4％，Zr 1.1％，Mo 0.5％，余量為Nb和不可避免的雜質。
本實施例的高強低密度鈮合金棒材的制備方法包括以下步驟：
步驟一、將零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、AlW50、AlMo80、核級海綿鋯和Nb1置于壓制模具中，并保證零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、鋁鎢合金、鋁鉬合金、核級海綿鋯均沿所述壓模長度方向上分布均勻，然后壓制成電極塊，采用氬弧焊接將壓制的電極塊組焊成自耗電極；所述鋁豆的質量純度不小于99.9％；所述高純鉻的質量純度為99.9％；
步驟二、將步驟一中所述自耗電極置于真空自耗電弧熔煉爐內進行5次熔煉，得到鑄錠，切去所述鑄錠的冒口，除去所述鑄錠表皮氣孔和表面氧化皮；
步驟三、將步驟二中除去表皮氣孔和表面氧化皮后的鑄錠置于熱等靜壓爐中，在溫度為1500℃，壓力為200MPa的條件下熱等靜壓處理15h；
步驟四、將步驟三中經熱等靜壓處理后的鑄錠在溫度為1100℃，擠壓比為4.5的條件下擠壓開坯制成棒坯，切去所述棒坯的縮尾，除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋；
步驟五、將步驟四中除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋后的棒坯在溫度為1150℃的條件下進行鍛造，得到室溫抗拉強度為1170MPa，室溫延伸率為20％，1200℃的抗拉強度為178MPa，密度為6.89g/cm3的高強低密度鈮合金棒材；所述室溫為25℃；所述鍛造的變形量為60％。
本發明實施例1制備的高強低密度鈮合金棒材的顯微組織如圖1所示，從圖1可以看出，本實施例制備的高強低密度鈮合金棒材的內部組織均勻、晶粒細小，因此具有優良的室溫和高溫性能。采用熱等靜壓處理鑄錠可消除了鑄錠內部的成分偏析和顯微縮孔等這些在壓力加工過程中易引起應力集中的缺陷，因此，將熱等靜壓處理技術引入到棒材的制備技術中，使得制備的鑄錠具有優良的內部組織結構，極大得提高了棒材的成材率。
實施例2
本實施例的高強低密度鈮合金材料，由以下重量百分比的成分組成：Ti 29.5％，Al 4.5％，W 4％，Cr 3.5％，Zr 1％，Mo 0.4％，余量為Nb和不可避免的雜質。
本實施例的高強低密度鈮合金棒材的制備方法包括以下步驟：
步驟一、將零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、AlW50、AlMo80、核級海綿鋯和Nb1置于壓制模具中，并保證零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、鋁鎢合金、鋁鉬合金、核級海綿鋯均沿所述壓模長度方向上分布均勻，然后壓制成電極塊，采用氬弧焊接將壓制的電極塊組焊成自耗電極；所述鋁豆的質量純度不小于99.9％；所述高純鉻的質量純度為99.9％；
步驟二、將步驟一中所述自耗電極置于真空自耗電弧熔煉爐內進行4次熔煉，得到鑄錠，切去所述鑄錠的冒口，除去所述鑄錠表皮氣孔和表面氧化皮；
步驟三、將步驟二中除去表皮氣孔和表面氧化皮后的鑄錠置于熱等靜壓爐中，在溫度為1550℃，壓力為190MPa的條件下熱等靜壓處理9h；
步驟四、將步驟三中經熱等靜壓處理后的鑄錠在溫度為1050℃，擠壓比為4的條件下擠壓開坯制成棒坯，切去所述棒坯的縮尾，除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋；
步驟五、將步驟四中除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋后的棒坯在溫度為1100℃的條件下進行鍛造，得到室溫抗拉強度1150MPa，室溫延伸率為18％，1200℃的抗拉強度為195MPa，密度為6.8g/cm3的高強低密度鈮合金棒材；所述室溫為25℃；所述鍛造的變形量為50％。
實施例3
本實施例的高強低密度鈮合金材料，由以下重量百分比的成分組成：Ti 30.5％，Al 5.5％，W 5％，Cr 4.5％，Zr 1.3％，Mo 0.7％，余量為Nb和不可避免的雜質。
本實施例的高強低密度鈮合金棒材的制備方法包括以下步驟：
步驟一、將零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、AlW50、AlMo80、核級海綿鋯和Nb1置于壓制模具中，并保證零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、鋁鎢合金、鋁鉬合金、核級海綿鋯均沿所述壓模長度方向上分布均勻，然后壓制成電極塊，采用氬弧焊接將壓制的電極塊組焊成自耗電極；所述鋁豆的質量純度不小于99.9％；所述高純鉻的質量純度為99.9％；
步驟二、將步驟一中所述自耗電極置于真空自耗電弧熔煉爐內進行5次熔煉，得到鑄錠，切去所述鑄錠的冒口，除去所述鑄錠表皮氣孔和表面氧化皮；
步驟三、將步驟二中除去表皮氣孔和表面氧化皮后的鑄錠置于熱等靜壓爐中，在溫度為1530℃，壓力為195MPa的條件下熱等靜壓處理14h；
步驟四、將步驟三中經熱等靜壓處理后的鑄錠在溫度為1080℃，擠壓比為4.2的條件下擠壓開坯制成棒坯，切去所述棒坯的縮尾，除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋；
步驟五、將步驟四中除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋后的棒坯在溫度為1100℃的條件下進行鍛造，得到室溫抗拉強度1200MPa，室溫延伸率為16％，1200℃的抗拉強度為200MPa，密度為7g/cm3的高強低密度鈮合金棒材；所述室溫為25℃；所述鍛造的變形量為40％。
實施例4
本實施例的高強低密度鈮合金材料，由以下重量百分比的成分組成：Ti 29％，Al 4％，W 4％，Cr 3％，Zr 0.8％，Mo 0.3％，余量為Nb和不可避免的雜質。
本實施例的高強低密度鈮合金棒材的制備方法包括以下步驟：
步驟一、將零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、AlW50、AlMo80、核級海綿鋯和Nb1置于壓制模具中，并保證零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、鋁鎢合金、鋁鉬合金、核級海綿鋯均沿所述壓模長度方向上分布均勻，然后壓制成電極塊，采用氬弧焊接將壓制的電極塊組焊成自耗電極；所述鋁豆的質量純度不小于99.9％；所述高純鉻的質量純度為99.9％；
步驟二、將步驟一中所述自耗電極置于真空自耗電弧熔煉爐內進行3次熔煉，得到鑄錠，切去所述鑄錠的冒口，除去所述鑄錠表皮氣孔和表面氧化皮；
步驟三、將步驟二中除去表皮氣孔和表面氧化皮后的鑄錠置于熱等靜壓爐中，在溫度為1550℃，壓力為200MPa的條件下熱等靜壓處理10h；
步驟四、將步驟三中經熱等靜壓處理后的鑄錠在溫度為1100℃，擠壓比為4的條件下擠壓開坯制成棒坯，切去所述棒坯的縮尾，除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋；
步驟五、將步驟四中除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋后的棒坯在溫度為1150℃的條件下進行鍛造，得到室溫抗拉強度1000MPa，室溫延伸率為20％，1200℃的抗拉強度為170MPa，密度為6.65g/cm3的高強低密度鈮合金棒材；所述室溫為25℃；所述鍛造的變形量為50％。
實施例5
本實施例的高強低密度鈮合金材料，由以下重量百分比的成分組成：Ti 31％，Al 6％，W 5％，Cr 5％，Zr 1.8％，Mo 1％，余量為Nb和不可避免的雜質。
本實施例的高強低密度鈮合金棒材的制備方法包括以下步驟：
步驟一、將零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、AlW50、AlMo80、核級海綿鋯和Nb1置于壓制模具中，并保證零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、鋁鎢合金、鋁鉬合金、核級海綿鋯均沿所述壓模長度方向上分布均勻，然后壓制成電極塊，采用氬弧焊接將壓制的電極塊組焊成自耗電極；所述鋁豆的質量純度不小于99.9％；所述高純鉻的質量純度為99.9％；
步驟二、將步驟一中所述自耗電極置于真空自耗電弧熔煉爐內進行6次熔煉，得到鑄錠，切去所述鑄錠的冒口，除去所述鑄錠表皮氣孔和表面氧化皮；
步驟三、將步驟二中除去表皮氣孔和表面氧化皮后的鑄錠置于熱等靜壓爐中，在溫度為1500℃，壓力為190MPa的條件下熱等靜壓處理12h；
步驟四、將步驟三中經熱等靜壓處理后的鑄錠在溫度為1100℃，擠壓比為4.5的條件下擠壓開坯制成棒坯，切去所述棒坯的縮尾，除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋；
步驟五、將步驟四中除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋后的棒坯在溫度為1050℃的條件下進行鍛造，得到室溫抗拉強度1193MPa，室溫延伸率為17.5％，1200℃的抗拉強度為195MPa，密度為6.98g/cm3的高強低密度鈮合金棒材；所述室溫為25℃；所述鍛造的變形量為60％。
實施例6
本實施例的高強低密度鈮合金材料，由以下重量百分比的成分組成：Ti 29％，Al 4％，W 5％，Cr 5％，Zr 1.8％，Mo 1％，余量為Nb和不可避免的雜質。
本實施例的高強低密度鈮合金棒材的制備方法包括以下步驟：
步驟一、將零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、AlW50、AlMo80、核級海綿鋯和Nb1置于壓制模具中，并保證零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、鋁鎢合金、鋁鉬合金、核級海綿鋯均沿所述壓模長度方向上分布均勻，然后壓制成電極塊，采用氬弧焊接將壓制的電極塊組焊成自耗電極；所述鋁豆的質量純度不小于99.9％；所述高純鉻的質量純度為99.9％；
步驟二、將步驟一中所述自耗電極置于真空自耗電弧熔煉爐內進行4次熔煉，得到鑄錠，切去所述鑄錠的冒口，除去所述鑄錠表皮氣孔和表面氧化皮；
步驟三、將步驟二中除去表皮氣孔和表面氧化皮后的鑄錠置于熱等靜壓爐中，在溫度為1500℃，壓力為200MPa的條件下熱等靜壓處理15h；
步驟四、將步驟三中經熱等靜壓處理后的鑄錠在溫度為1080℃，擠壓比為4的條件下擠壓開坯制成棒坯，切去所述棒坯的縮尾，除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋；
步驟五、將步驟四中除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋后的棒坯在溫度為1100℃的條件下進行鍛造，得到室溫抗拉強度980MPa，室溫延伸率為22％，1200℃的抗拉強度為185MPa，密度為6.58的高強低密度鈮合金棒材；所述室溫為25℃；所述鍛造的變形量為50％。
實施例7
本實施例的高強低密度鈮合金材料，由以下重量百分比的成分組成：Ti 31％，Al 6％，W 5％，Cr 3％，Zr 0.8％，Mo 0.3％，余量為Nb和不可避免的雜質。
本實施例的高強低密度鈮合金棒材的制備方法包括以下步驟：
步驟一、將零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、AlW50、AlMo80、核級海綿鋯和Nb1置于壓制模具中，并保證零級海綿鈦、鋁豆、高純鉻、鋁鎢合金、鋁鉬合金、核級海綿鋯均沿所述壓模長度方向上分布均勻，然后壓制成電極塊，采用氬弧焊接將壓制的電極塊組焊成自耗電極；所述鋁豆的質量純度不小于99.9％；所述高純鉻的質量純度為99.9％；
步驟二、將步驟一中所述自耗電極置于真空自耗電弧熔煉爐內進行5次熔煉，得到鑄錠，切去所述鑄錠的冒口，除去所述鑄錠表皮氣孔和表面氧化皮；
步驟三、將步驟二中除去表皮氣孔和表面氧化皮后的鑄錠置于熱等靜壓爐中，在溫度為1550℃，壓力為195MPa的條件下熱等靜壓處理13h；
步驟四、將步驟三中經熱等靜壓處理后的鑄錠在溫度為1100℃，擠壓比為4.5的條件下擠壓開坯制成棒坯，切去所述棒坯的縮尾，除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋；
步驟五、將步驟四中除去所述棒坯表面的氧化皮和微裂紋后的棒坯在溫度為1150℃的條件下進行鍛造，得到室溫抗拉強度900MPa，室溫延伸率為25％，1200℃的抗拉強度為180MPa，密度為6.5g/cm3的高強低密度鈮合金棒材；所述室溫為25℃；所述鍛造的變形量為40％。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明做任何限制，凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。