CN101476060B - 一种高表面硬度耐高温铸造钛合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种高表面硬度耐高温铸造钛合金及其制造方法，其组成为Ti-6.7Al-2.3Mo-2.0V-2.1Cr-2.0Zr。制备方法是将海绵Ti、纯Al、Al-Mo合金、Al-V合金、Al-Cr合金、海绵Zr配料混合后，挤压成自耗电极，再经真空电弧炉二次熔炼成合金铸锭，在真空凝壳铸造炉中用石墨模型浇注而成，合金硬度性能HRC≥38，高温力学性能Rm≥700MPa，Rp0.2≥600MPa，该合金满足了船用柴油机进排气系统设备、核电特种阀门配件的使用要求，已达到装备应用水平，填补了功能铸造钛合金的空白。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸造钛合金材料技术，特别是涉及一种高表面硬度耐高温铸造钛合金及其制造方法。
背景技术
随着技术的发展，在一些特殊的应用领域，对材料提出了特殊的要求。例如，船舶进排气装置的工作环境是：柴油机燃烧气体350℃，0.098～3.0MPa范围的交替压力，要求设备材料具备良好的耐海水腐蚀、耐高温力学性能、良好的铸造性，核电装置中阀除要求上述特性外，还要求表面硬度高。目前，核电装置控制阀装置系统设备主要采用特种钢、铜合金等材料，但是这些设备的耐海水腐蚀、耐冲刷腐蚀性能差，其次，核电用铜基合金力学性能低，耐磨性差，比重大，不能满足使用要求。
针对上述情况，近年仿制国外同级别钛合金，并成功轧制成锻件，其化学成分组成为表1所示。
表1变形钛合金化学成分范围
其力学性能锻件指标为：
Rm≥930MPa，Rp0.2≥815MPa，A≥8％，Z≥16％。
目前，船用柴油机进、排气系统需要一些复杂结构的通管、阀门等铸造设备，要求材料耐高温和耐腐蚀性能，核电阀门除了耐高温、耐腐蚀还要求表面硬度高。而俄罗斯研制的该方面的变形钛合金，名义成分为Ti-6.5Al-2Mo-2Zr-1V，屈服强度较高为815MPa。目前，在列入国家标准中的铸造钛及钛合金有8个牌号，其牌号及室温力学性能见表2。
表2铸造钛及钛合金牌号及室温力学性能(摘自GB6614-1994)
| 牌号 | 代号 | R<sub>m</sub> MPa≥ | R<sub>p0.2</sub>MPa≥ | A％≥ | 硬度HB≤ |
| ZTi1 | ZTA1 | 345 | 275 | 20 | 210 |
| 牌号 | 代号 | R<sub>m</sub> MPa≥ | R<sub>p0.2</sub>MPa≥ | A％≥ | 硬度HB≤ |
| ZTi2 | ZTA2 | 440 | 370 | 13 | 235 |
| ZTi3 | ZTA3 | 540 | 470 | 12 | 245 |
| ZTiAl4 | ZTA5 | 590 | 490 | 10 | 270 |
| ZTiAl5Sn2.5 | ZTA7 | 795 | 725 | 8 | 335 |
| ZTiAl6V4 | ZTC4 | 895 | 825 | 6 | 365 |
| ZTiMo32 | ZTB32 | 795 | - | 2 | 260 |
| ZTiAl6Sn4.5Nb2Mo1.5 | ZTC21 | 980 | 850 | 5 | 350 |
注：本表为铸件铸态时的室温力学性能，其成分应符合GB/T15073-1994的规定.
因此，迫切需要一种中等强度常温力学性能好、高温性能稳定、表面硬度HRC较高的铸造钛合金及制造方法，满足船舶柴油机进排气系统管、阀等部件和核电高硬度阀门对功能铸造钛合金的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高表面硬度耐高温铸造钛合金及其制造方法，从而制造一种中等强度常温力学性能为870Mpa、高温350℃稳定性能750Mpa、表面硬度HRC较高的铸造钛合金，满足船舶柴油机进排气系统管、阀等部件和核电高硬度阀门对功能铸造钛合金的要求。
为解决上述技术问题，本发明的一种高表面硬度耐高温铸造钛合金采用了下述的技术手段：为了弥补现有功能铸造材料的不足，在变形Ti-6.5Al-2Mo-2Zr-1V合金成分的基础上，以Ti为基体加入Al-Mo、Al-V、Al-Cr、Zr合金元素，形成Ti-Al-Mo-Zr-V-Cr系功能铸造钛合金，其化学组成为Ti-(5.5～6.9)Al-(0.5～2.5)Mo-(1.0～2.5)V-(0.8～2.3)Cr-(1.5～2.5)Zr。
发明可以根据具体情况进行配方优选，例如，Al可以优选6.0～6.5；Mo可以优选0.8～2.0，更优选1.0～1.5；V可以优选1.2～2.2，更优选1.5～2.0；Cr可以优选1.0～2.0，更优选1.5～1.8；Zr可以优选1.8～2.3，更优选2.0～2.2。
在实现本发明过程中，研究工作是在变形Ti-6.5Al-2Mo-2Zr-1V合金成分的基础上，以Ti为基体加入Al-Mo、Al-V、Al-Cr、Zr合金元素通过正交试验设计而成，并运用回归分析方法对合金元素含量、铸造工艺性能、力学性能的关系进行了分析并对化学成分进行调整，并对材料的各种组分对材料性能的影响进行了研究，发现Al含量低于下限时强度不够，高于上限时塑性降低；Mo含量低于下限时强度不够，含量高于上限时可焊性变差，Zr含量低于下限时强度不够，高于上限时成本增加，Cr含量可调节材料的表面硬度。
本发明一种高表面硬度耐高温铸造钛合金的制造方法为：将海绵Ti、纯Al、Al-Mo(1∶1)中间合金、Al-V(1∶1)中间合金、Al-Cr(1∶1)中间合金、海绵Zr，按重量成分比配料，颗粒度可以选择为0.25～25mm，较佳的颗粒度为5mm～16mm。上述合金材料经充分混合后，挤压成的自耗电极经真空电弧炉二次熔炼后，成为铸造产品用合金铸锭，然后在真空凝壳铸造炉中用石墨模型浇注成本发明的铸造合金产品。
本发明的功能铸造钛合金能达到如下指标：
(1)铸造性能：流动长度≥300mm。
(2)铸态力学性能：Rm≥870MPa，Rp0.2≥770MPa，A≥4％，Z≥9％。
(3)硬度性能：HRC≥38。
(4)高温力学性能：Rm≥700MPa，Rp0.2≥600MPa。
通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：
本发明的一种高表面硬度耐高温铸造钛合金及其制造方法技术，满足了船用柴油机进排气系统设备、核电特种阀门用材配套的使用要求，克服了原有材料的缺点，填补了功能铸造钛合金的空白，已达到装备应用的水平。
具体实施方式
实施例1
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo(1∶1)中间合金、Al-V(1∶1)中间合金、Al-Cr(1∶1)中间合金、海绵Zr为原料，颗粒度要求在5～16mm，按照6.2％Al、1.3％Mo、1.5％V、1.6％Cr、1.9％Zr、其余为Ti配制该合金料，在压力机上挤压成电极，然后自耗电极经二次真空电弧炉熔炼成合金铸锭，最后在真空铸造炉中真空度小于10Pa的条件下，浇铸出铸钛合金产品，其铸造性能和室温力学性能如表3中1#试样，高温力学性能和硬度性能如表4中11#试样。
实施例2
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo(1∶1)中间合金、Al-V(1∶1)中间合金、Al-Cr(1∶1)中间合金、海绵Zr为原料，颗粒度要求在5～16mm，按照6.5％Al、1.8％Mo、1.7％V、1.8％Cr、2.0％Zr、其余为Ti配制该合金料，在压力机上挤压成电极，然后自耗电极经二次真空电弧炉熔炼成合金铸锭，最后在真空铸造炉中真空度小于10Pa的条件下，浇铸出铸钛合金产品，其铸造性能和室温力学性能如表3中2#试样，高温力学性能和硬度性能如表4中21#试样。
实施例3：
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo(1∶1)中间合金、Al-V(1∶1)中间合金、Al-Cr(1∶1)中间合金、海绵Zr为原料，颗粒度要求在5～16mm，按照6.7％Al、2.3％Mo、2.1％V、2.1％Cr、2.0％Zr、其余为Ti配制该合金料，在压力机上挤压成电极，然后自耗电极经二次真空电弧炉熔炼成合金铸锭，最后在真空铸造炉中真空度小于10Pa的条件下，浇铸出铸钛合金产品，其铸造性能和室温力学性能如表3中3#试样，高温力学性能和硬度性能如表4中31#试样。
表3该功能铸造钛合金铸造性能和室温力学性能
表4该功能铸造钛合金高温力学性能和硬度
Claims (4)
1.一种高表面硬度耐高温铸造钛合金，其特征在于：该钛合金属Ti-Al-Mo-Zr-V-Cr系合金，其化学组成为：Ti-6.7Al-2.3Mo-2.0V-2.1Cr-2.0Zr。
2.一种权利要求1所述高表面硬度耐高温铸造钛合金的制造方法，其特征在于：将海绵Ti、纯Al、Al∶Mo比为1∶1的Al-Mo中间合金、Al∶V比为1∶1的Al-V中间合金、Al∶Cr比为1∶1的Al-Cr中间合金、海绵Zr，按重量成分比配料，原材料经充分混合后，挤压成自耗电极，自耗电极经真空电弧炉二次熔炼成为铸造产品用钛合金铸锭，然后在真空凝壳铸造炉中用石墨模型浇注成钛合金产品。
3.根据权利要求2所述高表面硬度耐高温铸造钛合金的制造方法，其特征在于：所述海绵Ti、纯Al、Al-Mo中间合金、Al-V中间合金、Al-Cr中间合金、海绵Zr的颗粒度为0.25～25mm。
4.根据权利要求3所述表面硬度耐高温高铸造钛合金的制造方法，其特征在于：所述海绵Ti、纯Al、Al-Mo中间合金、Al-V中间合金、Al-Cr中间合金、海绵Zr的颗粒度为5mm～16mm。
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