CN101638739A - 一种高性能钛合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能钛合金新材料，该合金的化学成分及质量百分比为：Al：3％～7％；Mo：1％～6％；V：0.5％～6％；Sn：1％～4％；Zr：1％～4％；Cr：0.5％～3％；Nb：0.5％～3％；Si：0.01％～0.3％；Ti为余量。该高性能钛合金的综合性能非常好，在国内外处于领先地位。突破点在于：在强度和塑性保持在最高水平时，大幅提高钛合金的断裂韧度，提高钛合金零部件的使用性能，使我国飞机综合性能得到进一步提高。

Description

一种高性能钛合金

技术领域

本发明是一种高性能钛合金，属于材料科学技术领域。

背景技术

钛及其合金是20世纪50年代兴起的一种重要的金属材料，同钢、铝等金属材料相比，它具有三个明显的优势：比强度高、中温性能好及耐腐蚀好。在短短的50年时间内，钛及钛合金得到了迅猛的发展，成为材料领域的重要组成部分。钛及其合金主要应用于航空领域，在化学工业、核工业、航天、船舶等领域也得到了越来越广泛的应用。因而钛合金技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术。在航空方面，钛合金是飞机机体结构和飞机发动机的主要结构材料之一。钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一，是影响飞机战术技术性能的一个重要方面。在飞机结构中，用钛合金代替高强度结构钢，可以减重15％~20％。

国内外现状：

国外现状：在国际上，欧美目前生产的飞机是最先进的飞机，所生产飞机的数量也是全世界最多。所生产的先进飞机包括：波音767、777、787(设计中)、A350、A 380、F22、F117、F15、F18、B2、B52、C5、C17等。俄罗斯也生产许多先进的飞机，例如SU27、SU30、SU47(设计中)、米格29、伊尔76、伊尔86、伊尔96-300、图154等。

随着科技的发展，钛合金在飞机上的使用量不断增加，图1显示了随着时间的变化，钛合金在飞机中的使用量(百分比)不断增加的情况，图2显示了在飞机所有使用的材料中，钛合金使用量所占比例。

从图1、图2可以看出，由于钛合金在飞机上的使用量不断增加，其重要性日显突出。大力发展钛合金行业对我国民用和军用飞机事业及其它工业的发展是非常重要的。

国内现状：中国目前也有很多飞机，但是与美国和俄罗斯的先进飞机相比，还有一定差距，需要不断努力，尽量缩短这一差距。

目前钛合金总共分为α合金、近α合金、α+β合金、近β合金、亚稳定β合金和β合金，见图3钛合金分类与Mo当量的关系，是由钼当量的不同而进行分类，其中应用范围比较广泛的钛合金主要是近α合金、α+β合金、近β合金。对属于同一种类型的钛合金，由于合金元素的搭配方式不同，合金性能也会有很大差别。

目前高强度钛合金的性能分析如下：

表1～3列举了现有高强度钛合金的性能数据。表1为TC18钛合金室温力学性能，表2为TC21钛合金室温力学性能，表3为TB6钛合金室温力学性能。TC21合金为α+β型钛合金；TC18和TB6合金为近β型钛合金。室温拉伸取样方向为L向，断裂韧度取样方向为L-T或T-L向。

表1    TC18钛合金室温力学性能

表2    TC21钛合金室温力学性能

表3    TB6钛合金室温力学性能

从表1～3高强度钛合金室温力学性能数据分析可以看出，目前高强钛合金(TC18、TC21、TB6)只能达到如下力学性能指标：抗拉强度Rm(σb)≥1100Mpa，屈服强度Rp 0.2(σp 0.2)≥1000MPa，延伸率A(δ5)≥8％，面缩率Z(Ψ)≥15％，断裂韧度 $\mathrm{KIC}\≥60~70\mathrm{Mpa}\sqrt{m}.$

发明内容

本发明正是针对现有高强度钛合金的性能指标提出了一种更高综合性能的钛合金新材料。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明所述的高性能钛合金，其特征在于该合金的化学成分及质量百分比为：

Al：3％～7％；Mo：1％～6％；V：0.5％～6％；Sn：1％～4％；Zr：1％～4％；Cr：0.5％～3％；Nb：0.5％～3％；Si：0.01％～0.3％；Ti为余量。

本发明的特点：本发明的钼当量在4～8范围内，属于中等钼当量范围；铝当量在5～9范围内，属于中等偏高铝当量的α+β型钛合金。本高性能钛合金使用高铝当量和中等钼当量的合金元素搭配方法，在合金中加入一些铝当量偏高的合金元素，可强化合金的α相，从而提高合金的强度和热强性；同时再加入一些中等钼当量的合金元素，可进一步提高合金的强度。高铝当量和中等钼当量的合金元素搭配方法，可以使合金的强度、塑性、断裂韧度、热强性等综合性能比较高，同时加入多种合金元素，目的是为了避免过多使用某种合金元素而损害钛合金的某些性能。

附图说明

图1随着时间的变化，钛合金在飞机中的使用量(百分比)不断增加的情况

图2在飞机所有使用的材料中，钛合金使用量所占比例

图3钛合金分类与Mo当量的关系

具体实施方式

下列合金化学成分为实现本发明所述高性能钛合金的化学成分和质量百分比的具体实例。

Al：5％～6％；Mo：3％～4％；V：1.5％～2.5％；Sn：2％～3％；Zr：2％～3％；Cr：1％～1.5％；Nb：1％～1.5％；Si：0.1％～0.15％；Ti为余量。

上述高性能钛合金是通过以下熔炼工艺获得的：

本发明所述高性能钛合金是采用真空熔炼技术得到的，通过三次真空自耗电弧炉熔炼，使合金元素均匀分布。自耗电极不允许使用钨极氩弧焊焊接。

先准备好熔炼所需的Al～Mo和Al～V等中间合金，原材料选用0.83mm～12.7mm的一级海绵钛，对原材料和中间合金进行烘干，按需要化学成分进行配料。配料完成后进行压电极和对电极进行焊接。焊接完成后，进行一次～三次真空自耗熔炼，提供适合于高性能钛合金技术指标要求的化学成分范围。

杂质元素及质量百分比范围为：H氢小于0.015％，O氧小于0.15％，N氮小于0.05％，C碳小于0.1％，其它元素，单个小于0.1％，综合小于0.3％。

对上述高性能钛合金的实施例进行了性能测试及分析，表4为高性能钛合金的性能测试数据的结果。

表4高性能钛合金室温力学性能

通过表4可以看出，本发明所提出的高性能钛合金不仅强度可以达到1200MPa以上，塑性仍然比较高，并且断裂韧度可以达到左右，该合金强度、塑性和断裂韧度等综合性能匹配性比较好，从国内外的统计数据来看，是目前综合性能最好的高强钛合金。

高性能钛合金与上述目前高强度钛合金的对比分析

从表1～3高强度钛合金室温力学性能数据分析可以看出，目前高强钛合金(α+β型合金TC21、近β型合金TC18和TB6)只能达到如下性能指标：抗拉强度Rm(σb)≥1100Mpa，屈服强度Rp 0.2(σp 0.2)≥1000MPa，延伸率A(δ5)≥8％，面缩率Z(Ψ)≥15％，断裂韧度 $\mathrm{KIC}\≥60~70\mathrm{Mpa}\sqrt{m}.$

而表4高性能钛合金可以达到如下性能指标要求：抗拉强度Rm(σb)≥1200Mpa，屈服强度Rp 0.2(σp 0.2)≥1100MPa，延伸率A(δ5)≥8％，面缩率Z(Ψ)≥15％，断裂韧度 $\mathrm{KIC}\≥90\mathrm{Mpa}\sqrt{m}.$

从表4与表1～表3的对比分析可以看出，高性能钛合金的强度和断裂韧度明显高于其它一般高强度钛合金，在塑性保持不降低的同时，大幅提高合金的断裂韧度和强度级别，可以为设计部门提供更多的选材依据，以便设计出更好的飞机。

经济效益和社会效益：

本发明涉及一种高性能钛合金新材料，该高性能钛合金的综合性能非常好，在国内外处于领先地位。突破点在于：在强度和塑性保持在最高水平时，大幅提高钛合金的断裂韧度，提高钛合金零部件的使用性能，使我国飞机综合性能得到进一步提高。

经济社会效益：与以前的材料和工艺相比，本项目的发明，一方面提高钛合金零部件的使用性能，另一方面将简化工艺，降低生产成本，节约能源，提高生产效率和材料的利用率。本项目的推广应用，拥有广泛的市场前景，必将带来巨大经济效益和社会效益。

Claims (4)

1.一种高性能钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及质量百分比为：Al：3％～7％；Mo：1％～6％；V：0.5％～6％；Sn：1％～4％；Zr：1％～4％；Cr：0.5％～3％；Nb：0.5％～3％；Si：0.01％～0.3％；Ti为余量。

2.根据权利要求1所述的高性能钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及质量百分比为：Al：3％～5％；Mo：4％～5％；V：1％～2％；Sn：3％～4％；Zr：3％～4％；Cr：0.5％～1％；Nb：0.5％～1％；Si：0.1％～0.15％；Ti为余量。

3.根据权利要求1所述的高性能钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及质量百分比为：Al：5％～6％；Mo：3％～4％；V：1.5％～2.5％；Sn：2％～3％；Zr：2％～3％；Cr：1％～1.5％；Nb：1％～1.5％；Si：0.1％～0.15％；Ti为余量。

4.根据权利要求1所述的高性能钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及质量百分比为：Al：6％～7％；Mo：2％～3％；V：3％～3.5％；Sn：0.5％～1％；Zr：0.5％～1％；Cr：1％～2％；Nb：1.5％～2％；Si：0.05％～0.1％；Ti为余量。

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