CN100415913C - 一种适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金，其为α+β两相钛合金，当将全体计为100重量%时，含有主要组分钛，4.5～9.0重量%的铝，0.2～1.5重量%的硼，0.5～5重量%的β稳定元素，其特征在于，所述β相占10～20体积%，还含有4～10体积%的TiB相，余为α相。所得钛合金箔材高强度、高弹性模量并且弹性模量各向同性。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金，特别涉及一种适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金。
背景技术
金属材料的弹性变形完全满足虎克定律时，其应力与应变的比值即为弹性模量。弹性模量本质上是表征固体原子间结合强度的物理参数，原子半径和离子半径越小，原子价越高的物质，其弹性模量就越大。对于成分选定的材料而言，弹性模量对组织不敏感。
由于钛合金具有良好的比强度和耐腐蚀性，因此，它已被广泛应用于诸如航空、军事、空间、深海探测以及化工厂等领域。钛合金的弹性模量约只有钢铁材料的一半，一般在110～125GPa之间。
α型钛合金的弹性模量高于β型钛合金的弹性模量。商用α钛合金的弹性模量约为120GPa，商用β钛合金的弹性模量约为110GPa。除纯钛外，α型钛合金的工艺塑性较之β型钛合金差，一个冷轧周期的变形量只有8％。
β稳定元素对β相弹性模量的提高不明显。而常用α相稳定元素铝(Al)是钛合金中最普遍使用的α相稳定元素，它可以显著增加α相的弹性模量。在不形成α2相的范围内(铝的重量百分比大于8％就会形成有序相(TiAl3)即α2相)，每增加1重量％的Al，α相的弹性模量增加1.4GPa。
硼(B)元素虽然是α相稳定元素，但它在α相和β相中的溶解度都很小(小于0.2原子％)，它在钛合金中以TiB相第二相的形式存在，其弹性模量高达355GPa，它存在钛合金中可以显著的提高钛合金的弹性模量。在纯钛中，当TiB相的体积分数由0％增加至15％时，弹性模量由110GPa增加至139Gpa。在Ti-6Al-4V(重量百分比)合金(一种多用途的α+β合金)中，当TiB相的体积分数由0％增加至10％时，弹性模量由116GPa增加至140GPa。TiB相在钛合金中以第二相粒子的形式存在，受外应力的作用时其基本不变形，与基体间的变形协调能力差。TiB相的存在显著的提高钛合金弹性模量的同时，使钛合金的加工性能、塑性指标恶化。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高强度高弹性模量而又不使钛合金加工性能和塑性指标恶化的适于制备箔材的钛合金。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金，其为α+β两相钛合金，当将全体计为100重量％时，含有主要组分钛，4.5～9.0重量％的铝，0.2～1.5重量％的硼，0.5～5重量％的β稳定元素，其特征在于，所述钛合金含有10～20体积％的β相，4～10体积％的TiB相，余为α相。
一种优选技术方案，其特征在于，所述β稳定元素为钼、铌、钒、铬、铁中的一种或多种的任意比例的混合；当是多种β稳定元素的任意比例的混合时，其中每一种β稳定元素的含量不低于0.5重量％。
一种优选技术方案，其特征在于，所述适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金中还含有0～3重量％的中性元素。
一种优选技术方案，其特征在于，所述中性元素为锡、锆、铪。
一种优选技术方案，其特征在于，所述适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金中还含有碳氢氧氮间隙元素。
一种优选技术方案，其特征在于，所述氧的含量为0.05～0.25重量％。
其它间隙元素的量按常规两相钛合金控制。
本发明的适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金可用市售的纯金属或中间合金利用真空自耗熔炼、凝壳炉熔炼、等离子束熔炼、电子束熔炼、悬浮炉熔炼等多种熔炼方法熔炼，也可采用这些熔炼方法的组合熔炼。所述纯金属包括钛、锆、铝、铁、铬、钒以及铪；所述中间合金包括铝钼合金、铝钒合金以及钛硼合金。
有益效果
1)本发明的钛合金其抗拉强度Rm＞1000MPa，拉伸弹性模量E≥130GPa，延伸率＞7％。
2)本发明合金可以做到有适量的、自身具有高弹性模量的TiB相，增加了合金的弹性模量，同时不显著恶化合金的塑性指标和加工性能。
3)本发明合金有足够体积的百分比(70～80％)并且被合金元素强化同时又能织构强化的α相。
4)本发明合金有一定体积(10～20体积％)并且被合金元素强化又具有一定弹性模量的β相，保障合金的工艺塑性。
具体实施方式
实施例1
将海绵钛、海绵锆、纯铝、纯铪、铝钒中间合金、铝钼中间合金、铝铌中间合金和钛硼中间合金分别按成分Ti-4.5Al-3Zr-0.5Hf-4Mo-1V-1Nb-1.2B-0.06O配料压制电极，采用凝壳炉熔炼和真空自耗炉熔炼，两次熔炼成铸锭。铸锭经热开坯和板坯轧制，制备成厚度为1.2毫米板坯，板坯经循环冷轧和中间真空退火制成0.3毫米箔材。箔材采用1000℃/1h/FC真空退火处理后，按国家标准GB/T228-2000制备成标准拉伸试样，在岛津AG50KNE万能材料试验机上进行力学性能测试，所得的抗拉强度Rm、延伸率A5和拉伸弹性模量E见表1。用定量金相法测得，显微组织中β相占总体积的15％；6体积％的TiB相。
实施例2
将海绵钛、海绵锆、纯铝、纯铁、纯铬、铝钼中间合金、铝铌中间合金和钛硼中间合金分别按成分Ti-6Al-2Mo-2Cr-2Zr-0.5Fe-0.6B-0.22O配料压制电极，采用真空自耗炉两次熔炼成铸锭。铸锭经热开坯和板坯轧制，制备成厚度为1.2毫米板坯，板坯经循环冷轧和中间真空退火制成0.3毫米箔材。箔材采用1000℃/1h/FC真空退火处理后，按国家标准GB/T228-2000制备成标准拉伸试样，在岛津AG50KNE万能材料试验机上进行力学性能测试，所得的抗拉强度Rm、延伸率A5和拉伸弹性模量E见表1。用定量金相法测得，显微组织中β相占总体积的19％；4体积％的TiB相。
实施例3
将海绵钛、纯铝、纯铬、铝钒中间合金、铝钼中间合金和钛硼中间合金分别按成分Ti-8Al-2Mo-2V-1Cr-0.7B-0.12O配料压制电极，采用等离子熔炼和真空自耗熔炼，两次熔炼成铸锭。铸锭经热开坯和板坯轧制，制备成厚度为1.2毫米板坯，板坯经循环冷轧和中间真空退火制成0.3毫米箔材。箔材采用1000℃/1h/FC真空退火处理后，按国家标准GB/T228-2000制备成标准拉伸试样，在岛津AG50KNE万能材料试验机上进行力学性能测试，所得的抗拉强度Rm、延伸率A5和拉伸弹性模量E见表1。用定量金相法测得，显微组织中β相占总体积的11％；5体积％的TiB相。
实施例4
将海绵钛、海绵锆、纯铝、纯铁、纯铬、钛锡中间合金、铝钼中间合金和钛硼中间合金分别按成分Ti-6Al-1Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.5Fe-0.3B-0.10O配料，采用悬浮炉熔炼，熔炼成铸锭。铸锭经热开坯和板坯轧制，制备成厚度为1.2毫米板坯，板坯经循环冷轧和中间真空退火制成0.3毫米箔材。箔材采用1000℃/1h/FC真空退火处理后，按国家标准GB/T228-2000制备成标准拉伸试样，在岛津AG50KNE万能材料试验机上进行力学性能测试，所得的抗拉强度Rm、延伸率A5和拉伸弹性模量E见表1。用定量金相法测得，显微组织中β相占总体积的15％；3体积％的TiB相。
表1实施例中合金的拉伸性能
| 合金 | Rm(MPa) | A<sub>5</sub>(％) | E(GPa) |
| Ti-4.5Al-3Zr-0.5Hf-4Mo-1V-1Nb-1.2B-0.06O | 1180 | 7.5 | 136 |
| Ti-6Al-2Mo-2Cr-2Zr-0.5Fe-0.6B-0.22O | 1150 | 9 | 138 |
| Ti-8Al-2Mo-2V-1Cr-0.7B-0.12O | 1180 | 7.5 | 136 |
| Ti-6Al-1Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.5Fe-0.3B-0.10O | 1050 | 10 | 132 |
从上表可以其抗拉强度Rm＞1000MPa，拉伸弹性模量E≥130GPa，延伸率＞7％。
Claims (4)
1. 一种适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金，其为α+β两相钛合金，当将全体计为100重量％时，含有4.5～9.0重量％的铝，0.2～1.5重量％的硼，0.5～5重量％的β稳定元素，余量为钛，其特征在于，所述钛合金含有10～20体积％的β相，还含有4～10体积％的TiB相，余为α相；所述β稳定元素为钼、铌、钒、铬、铁中的一种或多种的任意比例的混合；当是多种β稳定元素的任意比例的混合时，其中每一种β稳定元素的含量不低于0.5重量％。
2. 根据权利要求1所述的适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金，其特征在于，所述适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金中还含有0～3重量％的中性元素；所述中性元素为锡、锆、铪。
3. 根据权利要求1所述的适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金，其特征在于，所述适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金中还含有间隙元素氧。
4. 根据权利要求3所述的适于制备箔材的高强度高弹性模量的钛合金，其特征在于，所述氧的含量为0.05～0.25重量％。
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