CN100580115C - 一种β型钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种β型钛合金，其重量百分比为钼9%～15%，铌6%～10%，钽2%～6%，锆2%～6%，铝1%～3%，铁≤1.0%，碳≤0.1%，氮≤0.05%，氢≤0.015%，氧≤0.02%，余量为钛。其制备方法为采用海绵钛，纯铝，海绵锆，Ti-31%Mo、Ti-53%Nb、Al-80%Ta混料后制成自耗电极；经真空自耗电弧炉熔炼获得一次铸锭；由一次铸锭作为自耗电极进行熔炼获得二次铸锭；由二次铸锭作为自耗电极真空自耗熔炼成成品钛合金锭。本发明不仅具有高强度，而且具有较高的延伸率和塑性，既能满足应用需求的强度，又易于加工成型、减少能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种β型钛合金，还涉及其制备方法。
背景技术
高强韧钛合金，在材料的应用领域中主要以锻造、变形加工并辅之以热处理强化工艺，应用于航空、航天等需要高强度韧性的结构部位作为结构件。特别是航空领域，从飞机、发动机设计减重的角度出发，经常希望采用重量轻、比强度高的高强钛合金材料代替重量相对较大的结构钢材料。
β型钛合金具有较好的可热处理强化特性、优异的可成型性、较大的比强度、深的淬透性，并且可获得较高的强度-塑性-韧性匹配，使这种合金成为重要的结构材料。文献[O.M.Ivasishin et al.，J.Alloys Compd.(2007)，doi：10.1016/j.jallcom 2007.03.070]中例举了目前广泛应用的商业β钛合金VT22、Ti-15-3、β21S和TIMETAL LCB在再结晶状态下的机械性能，其中VT22的抗拉强度为1160MPa，延伸率为4.2％；Ti-15-3的抗拉强度为840MPa，延伸率为21％；β21S的抗拉强度为1015MPa，延伸率为17％；TIMETAL LCB的抗拉强度为1095MPa，延伸率为17％。从目前公知的β型钛合金可以看到存在不足：具有较高强度的β型钛合金，但塑性不好，导致加工困难和成本高；塑性好的β型钛合金，强度又达不到使用要求。现有β型钛合金不能同时满足既有高强度又有很高塑性的应用要求。
发明内容
为了克服现有技术不能同时满足既有高强度又有很高塑性的不足，本发明提供种β型钛合金，能够既具有高强度又具有良好塑性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：钛合金的组分为Ti-Mo-Nb-Ta-Zr-Al系的β型高强高韧钛合金。该型钛合金的重量百分比组成为：钼9％～15％，铌6％～10％，钽2％～6％，锆2％～6％，铝1％～3％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤1.0％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.02％。
本发明还提供该钛合金的制备方法，包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti-31％Mo、Ti-53％Nb、Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：9～15％、Nb：6～10％、Ta：2～6％、Zr：2～6％、Al：1～3％进行混料后，用压机压制成自耗电极；
二、经真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1780℃～1950℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1730℃～1870℃；在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1730℃～1870℃；
五、将钛合金锭去皮、头、尾，在950～1100℃锻造成坯料；
六、坯料经轧制、热处理制造成为板材，或经轧制、拉丝、热处理制造成为棒材、丝材或型材，或经锻造、修磨、热处理、机加制造成为标准件或元器件。
本发明的有益效果是：该Ti-Mo-Nb-Ta-Zr-Al系β型钛合金的力学性能如下表所示：
| 状态 | 屈服强度(σ<sub>s</sub>) | 抗拉强度(σ<sub>b</sub>) | 延伸率(ε) |
| 再结晶 | 970MPa～1050MPa | 1060～1200MPa | 30～50 |
该钛合金不仅具有高强度，而且具有较高的延伸率和塑性，既能满足应用需求的强度，又易于加工成型、减少能耗。该β型钛合金特别适合作为轨道或路面交通运输车辆以及航空航天器的结构材料，制作成为车轴弹簧、连杆、活塞销、高强度螺丝、制动器活塞和制动盘，可带来显著的经济效益。
下面结合实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
实施例1：
钛合金的重量百分比组成为：钼9％，铌10％，钽2％，锆6％，铝1％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁1.0％，碳0.1％，氮0.05％，氢0.015％，氧0.02％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti-31％Mo、Ti-53％Nb、Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：9％、Nb：10％、Ta：6％、Zr：2％、Al：3％混料5Kg，用500吨油压机压制成自耗电极；
二、经10Kg级真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1950℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1870℃，在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1870℃；
五、将钛合金锭去皮去头、尾，进行1100℃锻造成Φ55mm棒坯；
六、最后经机加扒皮、打磨修伤后在950℃轧制成Φ20mm棒材。
实施例2：
钛合金的重量百分比组成为：钼15％，铌6％，钽6％，锆2％，铝3％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁0.5％，碳0.05％，氮0.025％，氢0.01％，氧0.01％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti-31％Mo、Ti-53％Nb、Al-80％Ta为原料，按成分配比为Mo：15％、Nb：6％、Ta：2％、Zr：2％、Al：3％混料5Kg，用500吨油压机压制成自耗电极；
二、经10Kg级真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1875℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1800℃，在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1800℃；
五、将钛合金锭去皮去头、尾，进行1050℃锻造成Φ55mm棒坯；
六、最后经机加扒皮、打磨修伤后在900℃轧制成Φ20mm棒材。
实施例3：
钛合金的重量百分比组成为：钼12％，铌8％，钽4％，锆4％，铝2％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁0.02％，碳0.03％，氮0.01％，氢0.005％，氧0.005％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti-31％Mo、Ti-53％Nb、Al-80％Ta为原料，按成分配比为Mo：12％、Nb：8％、Ta：4％、Zr：2％、Al：3％混料5Kg，用500吨油压机压制成自耗电极；
二、经10Kg级真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1780℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1730℃，在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1730℃；
五、将钛合金锭去皮去头、尾，进行950℃锻造成Φ55mm棒坯；
六、最后经机加扒皮、打磨修伤后在900℃轧制成Φ20mm棒材。
实施例4：
钛合金的重量百分比组成为：钼9％，铌10％，钽2％，锆6％，铝1％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁1.0％，碳0.1％，氮0.05％，氢0.015％，氧0.02％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti-31％Mo、Ti-53％Nb、Al-80％Ta为原料，按成分配比为Mo：12％、Nb：8％、Ta：4％、Zr：4％、Al：2％混料5Kg，用500吨油压机压制成自耗电极；
二、经10Kg级真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1950℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1870℃，在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1870℃；
五、将钛合金锭去皮去头、尾，在1050℃进行锻造成δ40mm方板坯；
六、最后在900℃轧制成δ5mm板材。
实施例5：
钛合金的重量百分比组成为：钼15％，铌6％，钽6％，锆2％，铝3％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁0.5％，碳0.05％，氮0.025％，氢0.01％，氧0.01％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti-31％Mo、Ti-53％Nb、Al-80％Ta为原料，按成分配比为Mo：9％、Nb：10％、Ta：6％、Zr：6％、Al：1％混料5Kg，用500吨油压机压制成自耗电极；
二、经10Kg级真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1875℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1800℃，在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1800℃；
五、将钛合金锭去皮去头、尾，在1050℃进行锻造成δ40mm方板坯；
六、最后在900℃之间轧制成δ5mm板材。
实施例6：
钛合金的重量百分比组成为：钼12％，铌8％，钽4％，锆4％，铝2％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁0.02％，碳0.03％，氮0.01％，氢0.005％，氧0.005％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti～31％Mo、Ti～53％Nb、Al～80％Ta为原料，按成分配比为Mo：15％、Nb：6％、Ta：2％、Zr：6％、Al：1％混料5Kg，用500吨油压机压制成自耗电极；
二、经10Kg级真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1780℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1730℃，在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1730℃；
五、将钛合金锭去皮去头、尾，在950℃进行锻造成δ40mm方板坯；
六、最后在900℃之间轧制成δ5mm板材。
实施例7：
钛合金的重量百分比组成为：钼9％，铌10％，钽2％，锆6％，铝1％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁1.0％，碳0.1％，氮0.05％，氢0.015％，氧0.02％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti～31％Mo、Ti～53％Nb、Al～80％Ta为原料，按成分配比为Mo：9％、Nb：10％、Ta：6％、Zr：4％、Al：2％混料5Kg，用500吨油压机压制成自耗电极；
二、经10Kg级真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1950℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1870℃，在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1870℃；
五、将钛合金锭去皮、头、尾，在950℃锻造成坯料；
六、最后经锻造、修磨、热处理、机加等加工工序制造成为标准件或元器件。
实施例8：
钛合金的重量百分比组成为：钼15％，铌6％，钽6％，锆2％，铝3％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁0.5％，碳0.05％，氮0.025％，氢0.01％，氧0.01％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti～31％Mo、Ti～53％Nb、Al～80％Ta为原料，按成分配比为Mo：15％、Nb：6％、Ta：2％、Zr：4％、Al：2％混料5Kg，用500吨油压机压制成自耗电极；
二、经10Kg级真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1875℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1800℃，在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1800℃；
五、将钛合金锭去皮、头、尾，在1000℃锻造成坯料；
六、最后经锻造、修磨、热处理、机加等加工工序制造成为标准件或元器件。
实施例9：
钛合金的重量百分比组成为：钼12％，铌8％，钽4％，锆4％，铝2％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁0.02％，碳0.03％，氮0.01％，氢0.005％，氧0.005％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti～31％Mo、Ti～53％Nb、Al～80％Ta为原料，按成分配比为Mo：12％、Nb：8％、Ta：4％、Zr：6％、Al：1％混料5Kg，用500吨油压机压制成自耗电极；
二、经10Kg级真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1780℃，在结晶器获得一次铸锭；
三、由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1730℃，在结晶器获得二次铸锭；
四、由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1730℃；
五、将钛合金锭去皮、头、尾，在1100℃锻造成坯料；
六、最后经锻造、修磨、热处理、机加等加工工序制造成为标准件或元器件。
Claims (2)
1、一种β型钛合金，其特征在于该型钛合金的重量百分比组成为：钼9％～15％，铌6％～10％，钽2％～6％，锆2％～6％，铝1％～3％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：铁≤1.0％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.02％。
2、一种制备权利要求1所述β型钛合金的方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)采用0级海绵钛，工业纯铝，原子能级海绵锆，Ti-31％Mo、Ti-53％Nb、Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：9～15％、Nb：6～10％、Ta：2～6％、Zr：2～6％、Al：1～3％进行混料后，用压机压制成自耗电极；
(b)经真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1780℃～1950℃，在结晶器获得一次铸锭；
(c)由一次铸锭作为自耗电极进行二次熔炼，熔炼温度为1730℃～1870℃；在结晶器获得二次铸锭；
(d)由二次铸锭作为自耗电极再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭，熔炼温度为1730℃～1870℃；
(e)将钛合金锭去皮、头、尾，在950～1100℃锻造成坯料；
(f)坯料经轧制、热处理制造成为板材，或经轧制、拉丝、热处理制造成为棒材、丝材或型材，或经锻造、修磨、热处理、机加制造成为标准件或元器件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CI01 | Publication of corrected invention patent application |
Correction item: Applicant Correct: Beijing Institute of Aeronautical Materials, China Aviation Industry No.1 Group Corp.|Northwestern Polytechnical University False: China Aviation Industry Corporation, Beijing Institute of Aerial Materials, Northwestern Polytechnical University Number: 49 Page: 267 Volume: 24 |
|
| CI02 | Correction of invention patent application |
Correction item: Applicant Correct: Beijing Institute of Aeronautical Materials, China Aviation Industry No.1 Group Corp.|Northwestern Polytechnical University False: China Aviation Industry Corporation, Beijing Institute of Aerial Materials, Northwestern Polytechnical University Number: 49 Page: The title page Volume: 24 |
|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ERR | Gazette correction |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: BEIJING AVIATION MATERIAL INST., CHINA AVIATION INDUSTRY NO.1 GROUP CO. NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY - TO: BEIJING AVIATION MATERIAL INST., CHINA AVIATION INDUSTRY NO.1 GROUP CO. - NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY - |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100113 |