本發明涉及用于船舶與海洋工程的鈦合金，尤其是涉及一種新型高強度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金及其制備方法。

背景技術：

鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕、無磁等優異的性能，特別是在海水和酸性烴類化合物中具有良好的耐蝕性，是船舶與海洋工程特別是含鹽環境優選的材料，因此，鈦合金被譽為“海洋金屬”。

隨著我國海洋事業和海軍的發展，海洋工程構件及艦船裝備的不斷更新，對鈦合金材料強度、塑性和韌性等指標提出了更高的要求，如油井管、深潛器等水下耐壓構件要求鈦合金具有較高的強度和沖擊韌性。目前，高強鈦合金主要為α+β型、近亞穩β型和亞穩β型鈦合金，一般通過鍛造獲得晶粒細小的組織，再通過進一步的固溶強化和時效等熱處理工藝以改變組織中的α相的形態、種類、大小和體積分數等提高強度。國內外主要代表性的高強鈦合金有Ti62222S、BT22、Ti1023、TC21和β21S等，這些合金強度較高，塑性和斷裂韌性良好，但沖擊韌性較低，不能滿足海洋環境的特殊使用工況，如一些船舶發生海損事故的重要原因就是由于材料的脆性。另外，船舶及海洋工程用大型鈦合金結構件需要焊接，現有的高強鈦合金焊接性能較差，尤其焊接后熱影響區的沖擊韌性較低。因此，針對海洋環境使用工況，開發一種新型高強度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金就成了急需解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種高強度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金，并且該合金具有良好的冷熱加工性能，可成型為鍛件和厚板等。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種高強度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金，按質量百分比計，其成分組成為：Al：4.0~8.0wt.%、Mo：0.3~6.0wt.%、V：0.3~6.0wt.%、Nb：0.3~5.0wt.%、Cr：0.3~6.0wt.%、Zr：0.3~5.0wt.%，余量為Ti，以及間隙元素和不可避免雜質元素，間隙元素為C、H、O和N，鈦合金中全體元素的質量百分比總和為100%。

所述鈦合金中，α穩定元素和中性元素為Al和Zr，滿足鋁當量[Al]_當≥6，其中[Al]_當=%Al+%Zr/6，式中%表示鈦合金中各元素的質量百分比。

所述鈦合金中，β穩定元素為Mo、Nb、V和Cr元素，滿足鉬當量[Mo]_當≤8.0，其中[Mo]_當=%Mo+ %Nb/3.3+%V/1.4+%Cr/0.6，式中%表示鈦合金中各元素的質量百分比。

所述O元素的質量百分比為0.02~0.15wt.%。

本發明的一種高強度高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、合金成分配料：釩、鉬和鈮元素以鋁釩、鋁鉬和鋁鈮中間合金的形式加入原料中，鋁、鋯和鉻以純金屬的形式加入原料中，按所述配方，稱重配料；

步驟二、鑄錠熔煉：鑄錠采用真空自耗電弧熔煉方法制備，預熔真空度為10^-2Pa，熔煉次數≥3次，將鑄錠車皮、去縮口，然后進行開坯鍛造；

步驟三、開坯鍛造或鑄造：鑄錠經加熱后在空氣錘或壓機上開坯，經多火次加工，在空氣錘、水壓機或擠壓機設備上加工成板坯或鍛件；

步驟四、板材軋制：采用冷熱軋機將板坯或鍛件軋制為不同厚度的寬幅板材。

有益效果：

本發明鈦合金的強度和塑韌性匹配較好，并且具有良好的冷熱加工性能，可成型為鍛件和厚板等。

本發明的鈦合金鍛件、板材達到的材料性能如下：抗拉強度R_m≥1060MPa，屈服強度R_p0.2≥980MPa，延伸率A≥10%，沖擊韌性Akv≥40J，斷裂韌性K_IC≥80MPa?m^1/2，板材的縱橫向性能差異不大于15%。

本發明的鈦合金具有良好的焊接性能和耐海水腐蝕性能，焊接系數≥0.9，應力腐蝕斷裂韌性K_ISCC≥65MPa?m^1/2。

本發明的鈦合金在船舶和海洋工程等領域具有良好的技術應用與市場前景。

具體實施方式

本發明以下各實施例制備的鈦合金材料的成分及性能如表1所示。

實施例1：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-2Nb -1.5Cr合金

按實施例1所列成分稱量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業1級海綿鈦通過混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經T_β+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件，采用冷熱軋機軋制成為不同厚度的寬幅板材。經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。

實施例2：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-2Nb -0.3Cr合金

按實施例2所列成分稱量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、0.3wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業1級海綿鈦通過混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經T_β+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件，采用冷熱軋機軋制成為不同厚度的寬幅板材。經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。

實施例3：Ti-6.5Al-0.3Mo -2V -2Zr-2Nb -1.5Cr合金

按實施例3所列成分稱量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、0.3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業1級海綿鈦通過混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經T_β+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件，采用冷熱軋機軋制成為不同厚度的寬幅板材。經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。

實施例4：Ti-6.5Al-3Mo -0.3V -2Zr-2Nb -1.5Cr合金

按實施例4所列成分稱量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、0.3wt.%的釩元素和工業1級海綿鈦通過混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經T_β+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件，采用冷熱軋機軋制成為不同厚度的寬幅板材。經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。

實施例5：Ti-6.5Al-3Mo -2V -0.3Zr-2Nb -1.5Cr合金

按實施例5所列成分稱量原料，將6.5wt.%的鋁元素、0.3wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、2wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業1級海綿鈦通過混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經T_β+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件，采用冷熱軋機軋制成為不同厚度的寬幅板材。經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。

實施例6：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-0.3Nb -1.5Cr合金

按實施例6所列成分稱量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、1.5wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、0.3wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業1級海綿鈦通過混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經T_β+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件，采用冷熱軋機軋制成為不同厚度的寬幅板材。經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。

實施例7：Ti-4Al-6Mo-6V-5Nb -6Cr–5Zr合金

按實施例7所列成分稱量原料，將4wt.%的鋁元素、5wt.%的鋯元素、6wt.%的鉻元素、6wt.%的鉬元素、5wt.%的鈮元素、6wt.%的釩元素和工業1級海綿鈦通過混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經T_β+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件，采用冷熱軋機軋制成為不同厚度的寬幅板材。經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。

實施例8：Ti-8Al-5Mo -3V -4Zr-4Nb -4Cr合金

按實施例8所列成分稱量原料，將8wt.%的鋁元素、4wt.%的鋯元素、4wt.%的鉻元素、5wt.%的鉬元素、4wt.%的鈮元素、3wt.%的釩元素和工業1級海綿鈦通過混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經T_β+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件，采用冷熱軋機軋制成為不同厚度的寬幅板材。經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。

實施例9：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-3Nb -0.3Cr合金

按實施例9所列成分稱量原料，將6.5wt.%的鋁元素、2wt.%的鋯元素、0.3wt.%的鉻元素、3wt.%的鉬元素、3wt.%的鈮元素、2wt.%的釩元素和工業1級海綿鈦通過混料、壓制電極棒、真空自耗電弧爐三次熔煉成合金鑄錠。經T_β+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件，采用冷熱軋機軋制成為不同厚度的寬幅板材。經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。