本發明涉及船舶與海洋工程用鈦合金領域，尤其涉及一種中強度耐蝕可焊止裂鈦合金及其制備方法。
背景技術：
鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、無磁性等優異性能，特別對鹽水或海水和海洋大氣環境的侵蝕有免疫能力，是優質輕型結構材料，被稱為“海洋金屬”。隨著我國船舶及海洋裝備的不斷發展，鈦合金逐漸用于承力結構件，如深海油氣開采用油井管、深潛器耐壓殼體及承壓容器等?；诜郯踩煽啃钥紤]，鈦合金結構件對材料的止裂性、耐蝕性、焊接性等性能提出了更高的要求。目前國內外代表的中強度鈦合金主要有ta5、ti70、ti75、gr18、pt-5v、πt-3b等，這些合金韌性儲備相對較低，kic值一般在100mpa·m1/2左右，dt能約600j，裂紋萌生后很容易快速擴展，難以滿足船舶及海洋工程裝備的特殊使用要求。因此，需要開發一種斷裂韌性kic≥140mpa·m1/2，動態撕裂能dte≥800j，耐海水腐蝕性能kiscc≥95mpa·m1/2，沖擊功kv2≥80j，鑄件/鍛件/板材焊接系數≥0.9，屈服強度600mpa級的新型中強度耐蝕可焊止裂鈦合金。
技術實現要素：
為實現上述目的，本發明提供一種中強度耐蝕可焊止裂鈦合金及其制備方法，該鈦合金具有較好的強度-塑性-韌性匹配，屈服強度rp0.2≥640mpa，抗拉強度rm≥740mpa，延伸率a≥15%，斷裂韌性kic≥140mpa·m1/2，沖擊韌性kv2≥80j；該合金具有較好的止裂性能，動態撕裂能dte≥800j；同時具有良好焊接性能和耐海水腐蝕性能，焊接系數≥0.95，kiscc≥95mpa·m1/2，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。
本發明所采用的技術方案是：一種中強度耐蝕可焊止裂鈦合金，所述的鈦合金的材料性能為：rm≥740mpa，rp0.2≥640mpa，a≥15%，kv2≥80j，dte≥800j，kic≥140mpa·m1/2，kiscc≥95mpa·m1/2，焊接系數≥0.9；
按照質量百分數由以下組分組成：α穩定元素al3.0-7.0%；β穩定元素mo、v、nb和ni共1.5-4.5%；中性元素zr和sn共0.5-3.0%；si元素0.01~0.3%；余量為ti和不可避免的雜質；
其中，mo的質量百分數為0-1%、v的質量百分數為0-3%、nb的質量百分數為0-1%和ni的質量百分數為0-0.5%；zr的質量百分數為0-2%、sn的質量百分數為0-3%。
所述中強度耐蝕可焊止裂鈦合金的制備方法，包括以下步驟：
步驟一、合金成分配料：v、nb、mo、ti、ni元素以中間合金的形式加入，zr、sn、al元素以純金屬的形式加入，按上述配方稱重配料，充分混合后，壓成電極；
步驟二、鑄錠熔煉：采用真空自耗電弧熔煉技術進行鑄錠，預熔真空度為1pa，熔煉次數≥3次，然后將鑄錠車皮后，去縮口；
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，經加工得到鈦合金板材或鈦合金鍛件。
與現有技術相比，本發明至少具有下述優點及有益效果：
本發明提供的中強度耐蝕可焊止裂鈦合金為近α鈦合金，其中al元素為α相穩定元素，其主要作用是固溶強化；mo、v、nb、ta、ni元素為β相穩定元素，其作用是進一步提高鈦合金強度，同時使合金組織具有一定的β相，改善合金的加工性能，nb、ni元素的加入，還可以提高鈦合金的抗縫隙腐蝕性能；zr、sn元素為中性元素，主要作用增加合金原子間的結合力，提高合金的止裂性能，zr元素還能提高材料的焊接性；少量si元素的加入能夠顯著提高材料的蠕變特性。
本發明的合金具有良好的冷熱加工性能，可成形為鍛件和厚板等；該合金具有較好的強度-塑性-韌性匹配，屈服強度rp0.2≥640mpa，抗拉強度rm≥740mpa，延伸率a≥15%，斷裂韌性kic≥140mpa·m1/2，沖擊韌性kv2≥80j；該合金具有較好的止裂性能，動態撕裂能dte≥800j；同時具有良好焊接性能和耐海水腐蝕性能，焊接系數≥0.95，kiscc≥95mpa·m1/2，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
為使本發明的內容更明顯易懂，以下結合具體實施例，對本發明進行詳細描述。
一種中強度耐蝕可焊止裂鈦合金，所述的鈦合金的材料性能為：rm≥740mpa，rp0.2≥640mpa，a≥15%，kv2≥80j，dte≥800j，kic≥140mpa·m1/2，kiscc≥95mpa·m1/2，焊接系數≥0.9；
按照質量百分數由以下組分組成：α穩定元素al3.0-7.0%；β穩定元素mo、v、nb和ni共1.5-4.5%；中性元素zr和sn共0.5-3.0%；si元素0.01~0.3%；余量為ti和不可避免的雜質；
其中，mo的質量百分數為0-1%、v的質量百分數為0-3%、nb的質量百分數為0-1%和ni的質量百分數為0-0.5%；zr的質量百分數為0-2%、sn的質量百分數為0-3%。
所述中強度耐蝕可焊止裂鈦合金的制備方法，包括以下步驟：
步驟一、合金成分配料：v、nb、mo、ti、ni元素以中間合金的形式加入，zr、sn、al元素以純金屬的形式加入，按上述配方稱重配料，充分混合后，壓成電極；
步驟二、鑄錠熔煉：采用真空自耗電弧熔煉技術進行鑄錠，預熔真空度為1pa，熔煉次數≥3次，然后將鑄錠車皮后，去縮口；
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，經加工得到鈦合金板材或鈦合金鍛件。
實施例1：ti-3al-1mo-0.5ni-0.5sn-0.1si合金
一種中強度耐蝕可焊止裂鈦合金，按照質量百分數由以下組分組成：al的質量百分數為3%，mo的質量百分數為1%、ni的質量百分數為0.5%、sn的質量百分數為0.5%和si的質量百分數為0.1%，余量為ti和不可避免的雜質。
按實施例1所列成分稱量原料，將3wt.%的鋁元素、1wt.%的mo元素、0.5wt.%的鎳元素、0.5wt.%的錫元素、0.1wt.%的硅元素和工業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tβ+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件。然后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-4.5al-3v-1nb-0.5ni-2zr-0.05si合金
一種中強度耐蝕可焊止裂鈦合金，按照質量百分數由以下組分組成：al的質量百分數為4.5%，v的質量百分數為3%、nb的質量百分數為1%、ni的質量百分數為0.5%、zr的質量百分數為2%和si的質量百分數為0.05%，余量為ti和不可避免的雜質。
按實施例2所列成分稱量原料，將4.5wt.%的鋁元素、3wt.%的釩元素、1wt.%的鈮元素、0.5wt.%的鎳元素、2wt.%的鋯元素、0.05wt.%的硅元素和工業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tβ+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件。然后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-5al-2v-1nb-0.5ni-3sn合金
一種中強度耐蝕可焊止裂鈦合金，按照質量百分數由以下組分組成：al的質量百分數為5%，v的質量百分數為2%、nb的質量百分數為1%、ni的質量百分數為0.5%和sn的質量百分數為3%，余量為ti和不可避免的雜質。
按實施例3所列成分稱量原料，將5wt.%的鋁元素、2wt.%的釩元素、1wt.%的鈮元素、0.5wt.%的鎳元素和工業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tβ+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件。然后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-6al-1v-1nb-0.5ni-2sn合金
一種中強度耐蝕可焊止裂鈦合金，按照質量百分數由以下組分組成：al的質量百分數為6%，v的質量百分數為1%、nb的質量百分數為1%、ni的質量百分數為0.5%和sn的質量百分數為2%，余量為ti和不可避免的雜質。
按實施例4所列成分稱量原料，將6wt.%的鋁元素、1wt.%的釩元素、1wt.%的鈮元素、0.5wt.%的鎳元素、2wt.%的錫元素和工業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tβ+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件。然后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-7al-1mo-1v-0.5ni-1zr-1sn-0.3si合金
一種中強度耐蝕可焊止裂鈦合金，按照質量百分數由以下組分組成：al的質量百分數為7%，mo的質量百分數為1%、v的質量百分數為1%、ni的質量百分數為0.5%、zr的質量百分數為1%、sn的質量百分數為2%和si的質量百分數為0.3%，余量為ti和不可避免的雜質。
按實施例5所列成分稱量原料，將7wt.%的鋁元素、1wt.%的鉬元素、1wt.%的釩元素、0.5wt.%的鎳元素、1wt.%的鋯元素、1wt.%的錫元素、0.3wt.%的硅元素和工業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tβ+150℃開坯，α+β相區鍛造成鍛件。然后經合適熱處理制度處理后，該合金材料性能見表1。
表1各實施例中制備鈦合金材料的成分及性能