CN101343706B - 一种紧固件用β钛合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧固件用β钛合金，其重量百分比为钼4％～7％，铌4％～6.5％，铬3％～5％，钽1％～3％，铝2％～4％，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，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta混料后，用压机压制成块状电极；将数块电极用离子焊接组焊成长条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼2～3次，获得成品钛合金锭。本发明不仅具有高强度，而且能实现低成本大规模生产，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
钛合金与碳纤维复合材料的电极电位相近，可有效地防止紧固件的电偶腐蚀，且具有良好的弹性和无磁性，可以防止紧固螺栓的松动和防磁场干扰，使其成为复合材料惟一的连接材料。随着先进飞机钛合金和复合材料用量的不断增加，对钛合金紧固件的需求日益加大。
作为紧固件用钛合金，公知的有TC4、BT16、TB2、TB3、Ti-15-3、βIII等钛合金。虽然TC4合金的密度低，强度和疲劳性能好，半成品成本低，但室温塑性不够高，加工成型紧固件时需要采用感应加热进行热镦，以及真空固溶处理加时效处理，因此加工成本较高。BT16合金具有优异的冷加工性能，能采用冷镦成型紧固件，但其强度不够高，使用领域受限。TB2、TB3、Ti-15-3、βIII等钛合金冷态塑性好，具有优良的冷加工性能，虽然这些钛合金强度大于BT16合金，但不能作为高承力构件的连接件。因此，现有的紧固件用钛合金不能同时满足高强度、低成本的大规模生产需求。
发明内容
为了克服现有技术不能同时满足高强度应用、低成本生产的不足，本发明提供一种β型钛合金，既具有高强度又能低成本实现大规模生产。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该型钛合金的重量百分比为：钼4％～7％，铌4％～6.5％，铬3％～5％，钽1％～3％，铝2％～4％，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、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：4％～7％、Nb：4％～6.5％、Cr：3％～5％、Ta：1％～3％、Al：2％～4％进行混料后，用压机压制成块状电极；
二、将数块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1730℃～1950℃，重复2～3次，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在950～1100℃锻造成坯料；
五、坯料经900～1000℃轧制、760～950℃固溶和520～550℃时效后制造成为成品棒材。
本发明的有益效果是：该合金综合了两相钛合金较强的热处理强化能力和β钛合金优异的冷加工性能的优点，在室温下就可以墩制出头型比较复杂的螺栓，经β区固溶、两相区时效处理后，抗拉强度达到1300MPa左右，同时延伸率保持在6％以上，可以制成尺寸更小的连接件。本发明不仅具有高强度，而且能实现低成本大规模生产，既能满足应用需求的强度，又易于加工成型、减少能耗。该型钛合金可以广泛用于制造螺栓、螺母、铆钉、螺丝、销子等连接件，特别适用于因空间受到限制而必须采用小尺寸的连接件，且生产效率高，成本低，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为：钼4％，铌6.5％，铬3％，钽3％，铝2％，余量为钛和杂质，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、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：5％、Nb：5％、Cr：4％、Ta：2％、Al：3％混料100Kg，用油压机压制成块状电极；
二、将3块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1950℃，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在950℃锻造成坯料；
五、坯料经900℃轧制、760℃固溶，520℃时效后制造成为成品棒材。
本实施例所制备的钛合金棒材具有良好的综合性能，尤其是具有良好剪切强度和塑性：σb＞1440MPa，σ0.2＞1400MPa，δ＞6％，τ＞800MPa。
实施例2：
钛合金的重量百分比为：钼7％，铌4％，铬5％，钽1％，铝4％，余量为钛和杂质，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、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：7％、Nb：6.5％、Cr：3％、Ta：3％、Al：3％混料100Kg，用油压机压制成块状电极；
二、将4块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1730℃℃，重复3次，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在1025℃锻造成坯料；
五、坯料经950℃轧制、850℃固溶，530℃时效后制造成为成品棒材。
本实施例所制备的钛合金棒材具有良好的综合性能，尤其是具有良好剪切强度和塑性：σb＞1300MPa，σ0.2＞1260MPa，δ＞8.5％，τ＞780MPa。
实施例3：
钛合金的重量百分比为：钼5％，铌5％，铬4％，钽2％，铝3％，余量为钛和杂质，其中杂质的重量百分比为：铁0.02％，碳0.03％，氮0.01％，氢0.005％，氧0.008％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：4％、Nb：4％、Cr：5％、Ta：1％、Al：3％混料100Kg，用油压机压制成块状电极；
二、将4块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1840℃，重复3次，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在1100℃锻造成坯料；
五、坯料经1000℃轧制、950℃固溶，550℃时效后制造成为成品棒材。
本实施例所制备的钛合金棒材具有良好的综合性能，尤其是具有良好剪切强度和塑性：σb＞1280MPa，σ0.2＞1250MPa，δ＞7％，τ＞770MPa。
实施例4：
钛合金的重量百分比为：钼4％，铌6.5％，铬3％，钽3％，铝2％，余量为钛和杂质，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、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：5％、Nb：5％、Cr：4％、Ta：2％、Al：4％混料100Kg，用油压机压制成块状电极；
二、将5块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1900℃，重复3次，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在950℃锻造成坯料；
五、坯料经900℃轧制、760℃固溶，520℃时效后制造成为成品棒材。
本实施例所制备的钛合金棒材具有良好的综合性能，尤其是具有良好剪切强度和塑性：σb＞1440MPa，σ0.2＞1400MPa，δ＞6％，τ＞810MPa。
实施例5：
钛合金的重量百分比为：钼7％，铌4％，铬5％，钽1％，铝4％，余量为钛和杂质，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、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：7％、Nb：6.5％、Cr：3％、Ta：3％、Al：4％混料100Kg，用油压机压制成块状电极；
二、将3块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1780℃，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在1025℃锻造成坯料；
五、坯料经950℃轧制、850℃固溶，530℃时效后制造成为成品棒材。
本实施例所制备的钛合金棒材具有良好的综合性能，尤其是具有良好剪切强度和塑性：σb＞1310MPa，σ0.2＞1260MPa，δ＞8.5％，τ＞785MPa。
实施例6：
钛合金的重量百分比为：钼5％，铌5％，铬4％，钽2％，铝3％，余量为钛和杂质，其中杂质的重量百分比为：铁0.02％，碳0.03％，氮0.01％，氢0.005％，氧0.008％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：4％、Nb：4％、Cr：5％、Ta：1％、Al：4％混料100Kg，用油压机压制成块状电极；
二、将4块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1800℃，重复3次，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在1100℃锻造成坯料；
五、坯料经1000℃轧制、950℃固溶，550℃时效后制造成为成品棒材。
本实施例所制备的钛合金棒材具有良好的综合性能，尤其是具有良好剪切强度和塑性：σb＞1295MPa，σ0.2＞1260MPa，δ＞7％，τ＞780MPa。
实施例7：
钛合金的重量百分比为：钼4％，铌6.5％，铬3％，钽3％，铝2％，余量为钛和杂质，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、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：5％、Nb：5％、Cr：4％、Ta：2％、Al：1％混料100Kg，用油压机压制成块状电极；
二、将4块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1730℃，重复3次，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在950℃锻造成坯料；
五、坯料经900℃轧制、760℃固溶，520℃时效后制造成为成品棒材。
本实施例所制备的钛合金棒材具有良好的综合性能，尤其是具有良好剪切强度和塑性：σb＞1400MPa，σ0.2＞1360MPa，δ＞6.5％，τ＞790MPa。
实施例8：
钛合金的重量百分比为：钼7％，铌4％，铬5％，钽1％，铝4％，余量为钛和杂质，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、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：7％、Nb：6.5％、Cr：3％、Ta：3％、Al：1％混料100Kg，用油压机压制成块状电极；
二、将5块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1950℃，重复3次，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在1025℃锻造成坯料；
五、坯料经950℃轧制、850℃固溶，530℃时效后制造成为成品棒材。
本实施例所制备的钛合金棒材具有良好的综合性能，尤其是具有良好剪切强度和塑性：σb＞1290MPa，σ0.2＞1260MPa，δ＞9％，τ＞770MPa。
实施例9：
钛合金的重量百分比为：钼5％，铌5％，铬4％，钽2％，铝3％，余量为钛和杂质，其中杂质的重量百分比为：铁0.02％，碳0.03％，氮0.01％，氢0.005％，氧0.008％。
该钛合金的制备方法包括以下步骤：
一、采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：4％、Nb：4％、Cr：5％、Ta：1％、Al：1％混料100Kg，用油压机压制成块状电极；
二、将3块电极用离子焊接组焊成长条状电极；
三、用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的铸锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1850℃，重复3次，获得成品钛合金锭；
四、将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在1100℃锻造成坯料；
五、坯料经1000℃轧制、950℃固溶，550℃时效后制造成为成品棒材。
本实施例所制备的钛合金棒材具有良好的综合性能，尤其是具有良好剪切强度和塑性：σb＞1280MPa，σ0.2＞1260MPa，δ＞8％，τ＞775MPa。
Claims (2)
1.一种紧固件用β钛合金，其特征在于该型钛合金的重量百分比为：钼4％～7％，铌4％～6.5％，铬3％～5％，钽1％～3％，铝2％～4％，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所述紧固件用β钛合金的方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)采用海绵钛，纯铝，纯铬，Ti-31％Mo，Ti-53％Nb，Al-80％Ta为原料，按重量百分比配比为Mo：4％～7％、Nb：4％～6.5％、Cr：3％～5％、Ta：1％～3％、Al：2％～4％进行混料后，用压机压制成块状电极；
(b)将数块步骤(a)制备的块状电极用离子焊接组焊成长条状电极；
(c)用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，再将获得的钛合金锭作为自耗电极再次进行熔炼，熔炼温度为1730℃～1950℃，重复熔炼2～3次，获得成品钛合金锭；
(d)将熔炼好的钛合金锭去皮、头、尾，在950～1100℃锻造成坯料；
(e)坯料经900～1000℃轧制、760～950℃固溶和520～550℃时效后制造成为成品棒材。
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