CN101736180A - 一种低密度高性能钛合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种低密度高性能钛合金材料，钛合金材料密度范围是4.33～4.35g/cm3，质量百分比为：Ti：87.0～90.0％；Al：8.35～10.0％；Mo：0.75～1.5％；V：0.75～1.5％；其余为不可避免杂质。本发明的Ti-9Al-1Mo-1V低密度高性能钛合金材料具有很低的密度、较高的强度、延伸率、冲击韧性和流动性。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金材料技术，特别是一种低密度高性能钛合金材料及其制备方法。
背景技术
钛合金具有高的比强度、较低的密度和耐腐蚀性能，广泛应用于航空、航天、航海、化工和体育休闲领域。一直以来，人们希望能得到更低密度的铸造钛合金，从而进一步扩大钛合金的应用。
如研制低密度钛合金高尔夫球头，可以降低现用钛制高尔夫球头的重量和增大球头体积，有利于提高球的飞行距离和击球的准确性。通常高尔夫球杆头有重量限制，如1号木头为200g，1号铁头为200g；3号铁头为210g等，所以由低密度材料可制成大尺寸高尔夫球头，超大尺寸的球杆头会提高球手在击球时的准确性，而且使用轻型材料后，球杆头击球面的厚度也可以增加，从而增加刚性。
制备低密度钛合金材料，需要选用低比重的合金元素来降低材料的密度，如Al元素。但提高Al含量会导致材料塑性下降，甚至出现脆断现象。目前，Al含量较高的钛合金主要为航空发动机用Ti-8Al-1Mo-1V合金，最高Al含量为8.35wt％，合金密度约为4.37g/cm3左右，较Ti-6Al-4V合金密度4.45g/cm3密度降低约1.8％，这种合金见国标GB/T 3620.1-2007，国内牌号为TA11。进一步降低钛合金的密度，困难重重，至今未见实质性突破。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低密度高性能钛合金材料及其制备方法，可以进一步降低钛合金材料的密度，从而在同样的体积下可以降低钛制产品的重量，或在同样的重量下可以增大产品的体积，以进一步扩大钛合金的应用范围。
为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的一种低密度高性能钛合金材料，钛合金材料密度范围是4.33--4.35g/cm3，质量百分比为：Ti：87.0～90.0％；Al：8.35～10.0％；Mo：0.75～1.5％；V：0.75～1.5％；其余为不可避免杂质。
本发明的低密度高性能钛合金材料的制备方法是：以海绵Ti为基体加入纯Al、Al-Mo和Al-V中间合金组成Ti-9Al-1Mo-1V，将海绵Ti、纯Al、Al-Mo和Al-V中间合金按质量百分比Ti：87.0～90.0％、Al：8.35～10.0％；Mo：0.75～1.5％；V：0.75～1.5％配制，将配料混合均匀后压制成海绵Ti电极，然后将海绵Ti电极在真空自耗电极电弧炉中进行真空溶炼，溶炼真空度0-10Pa、弧电压30-36V、弧电流5000-6000A，溶炼后的钛合金材料在真空自耗电极凝壳炉真空度0-5Pa、弧电压30-40V、弧电流20000-30000A下进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为800℃时固溶10分钟，并在480℃时效6.5小时，得低密度高性能钛合金材料。
本发明的低密度高性能钛合金材料的制备方法还可以是：以海绵Ti为基体加入纯Al、Al-Mo和Al-V中间合金组成Ti-9Al-1Mo-1V，将海绵Ti、纯Al、Al-Mo和Al-V中间合金按质量百分比Ti：87.0～90.0％、Al：8.35～10.0％；Mo：0.75～1.5％；V：0.75～1.5％配制，在真空感应炉真空度0-5Pa、溶炼功率200-300KW下溶炼后进行产品浇注然后进行固溶时效处理，处理工艺为800℃时固溶10分钟，并在480℃时效6.5小时，得低密度高性能钛合金材料。
本发明的Ti-9Al-1Mo-1V低密度高性能钛合金材料浇注后在800℃进行固溶10分钟处理，其目的是产生亚稳定的β相组织，然后进行480℃时效6.5小时处理，其目的是使亚稳定的β组织析出弥散的a相，从而调整钛合金的力学性能。
Ti-9Al-1Mo-1V低密度高性能钛合金材料具有很低的密度、高的延伸率、冲击韧性，且具有较佳的强度。本发明在Ti-Al-Mo-V四元合金系化学成分的基础上，运用正交试验设计，以海绵Ti为基体加入纯Al、Al-Mo和Al-V中间合金，Al可以进一步的降低材料的密度和提高材料的强度及流动性能；Mo和V的溶点很高、不易溶解，为了在海绵Ti基体中加入Mo和V合金元素，材料制造时采用Al-Mo、Al-V中间合金的形式加入，Mo和V可以提高材料强度的同时抑制Ti3Al脆性相的析出。通过考察不同的合金元素及元素含量对材料的密度、材料力学性能及铸造性能等的影响，得到了一种低密度钛合金材料Ti-9Al-1Mo-1V，该材料热处理前后均具有较佳的力学性能。当Al含量低于下限时材料密度降低不明显，高于上限时Ti3Al脆性相析出过多，导致Mo和V难以抑制Ti3Al脆性相的析出，特别是当Al含量接近上限时虽然铸态组织具有较好的综合力学性能，但固溶时效后Ti3Al脆性相析出较多导致延伸率下降明显；当Mo和V含量低于下限时合金强度会有所降低，高于上限时高比重的Mo和V元素会提高材料的密度。
本发明的低密度高性能钛合金材料，固溶时效前铸造合金的性能：室温屈服强度≥750MPa，抗拉强度≥790MPa，延伸率≥7％，断面收缩率≥15％，冲击韧性≥48J/cm2；800℃固溶480℃时效后合金性能：室温屈服强度≥730MPa，抗拉强度≥760MPa，延伸率≥4％，断面收缩率≥14％，冲击韧性≥36J/cm2。
通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
1、本发明的Ti-9Al-1Mo-1V低密度高性能钛合金材料具有很低的密度、较高的强度、延伸率、冲击韧性和流动性。
2、本发明的Ti-9Al-1Mo-1V低密度高性能钛合金材料的力学性能和密度指标为：
1)密度：4.33--4.35g/cm3；
2)固溶时效前铸造合金的性能：室温屈服强度≥750MPa，抗拉强度≥790MPa，延伸率≥7％，断面收缩率≥15％，冲击韧性≥48J/cm2；
3)800℃固溶480℃时效后合金性能：室温屈服强度≥730MPa，抗拉强度≥760MPa，延伸率≥4％，断面收缩率≥14％，冲击韧性≥36J/cm2。
4)具有很好的流动性能，适合于铸造钛合金薄壁零件。
3、本发明的低密度钛合金在浇注高尔夫球头薄壁件的成品率接近100％。
具体实施方式
实施例1
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60和Al-V55中间合金按照质量分数Ti90％、Al8.5％、Mo 0.75％、V 0.75％配料并均匀混合后压制成钛合金电极，将电极在真空自耗电极电弧炉中进行真空溶炼，溶炼真空度0--8Pa、弧电压30-35V、弧电流5000-6000A，溶炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中溶化后浇注高尔夫球头铸件浇注真空度1--4Pa、弧电压31-34V、弧电流21000--24000A，浇铸后测得材料的化学成分为：Ti89.7％、Al8.36％、Mo 0.75％、V 0.79％。浇铸后对材料进行800℃固溶10分钟后充氩冷却至室温，之后升温至480℃时效6.5小时后充氩冷却至室温。
浇铸后材料室温屈服强度750MPa，抗拉强度820MPa，延伸率12.0％，断面收缩率22.5％，冲击韧性65.0J/cm2，硬度HRC＝30.0，密度为4.34g/cm3，球头的浇注成品率100％。
浇铸后材料800℃固溶480℃时效后合金性能：室温屈服强度745MPa，抗拉强度800MPa，延伸率11.5％，断面收缩率22.0％，冲击韧性79.0J/cm2，硬度HRC＝27.2，密度为4.34g/cm3。
实施例2：
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60和Al-V55中间合金按照质量分数Ti89.6％、Al8.5％、Mo 0.90％、V 1.0％配料并均匀混合后压制成钛合金电极，将电极在真空自耗电极电弧炉中进行真空溶炼，溶炼真空度2--8Pa、弧电压32-36V、弧电流5000-6000A，溶炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中溶化后浇注高尔夫球头铸件浇注真空度0--4Pa、弧电压32-36V、弧电流21000--23000A，浇铸后材料的化学成分为：Ti89.4％、Al8.35％、Mo 0.90％、V 1.03％。浇铸后对材料进行800℃固溶10分钟后充氩冷却至室温，之后升温至480℃时效6.5小时后充氩冷却至室温。
浇铸后材料室温屈服强度750MPa，抗拉强度825MPa，延伸率7.5％，断面收缩率15.0％，冲击韧性54.0J/cm2，硬度HRC＝31.0，密度为4.35g/cm3，球头的浇注成品率98％。
浇铸后材料800℃固溶480℃时效后合金性能：室温屈服强度740MPa，抗拉强度820MPa，延伸率10.0％，断面收缩率23.5％，冲击韧性58.0J/cm2，硬度HRC＝34.0，密度为4.35g/cm3。
实施例3：
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60和Al-V55中间合金按照质量分数Ti89.6％、Al8.9％、Mo 0.75％、V 0.75％配料并混合后在真空感应炉中进行真空溶炼，溶炼真空度2--5Pa、溶炼功率200KW，溶炼结束后浇注高尔夫球头铸件浇注真空度0--5Pa，浇铸后材料的化学成分为：Ti89.5％、Al8.7％、Mo 0.76％、V 0.78％。浇铸后对材料进行800℃固溶10分钟后充氩冷却至室温，之后升温至480℃时效6.5小时后充氩冷却至室温。
浇铸后材料室温屈服强度755MPa，抗拉强度825MPa，延伸率8.5％，断面收缩率27.0％，冲击韧性68.5J/cm2，硬度HRC＝31.0，密度为4.35g/cm3，球头的浇注成品率100％。
浇铸后材料800℃固溶480℃时效后合金性能：室温屈服强度735MPa，抗拉强度810MPa，延伸率11.5％，断面收缩率23.0％，冲击韧性76.5J/cm2，硬度HRC＝29.0，密度为4.35g/cm3。
实施例4：
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60和Al-V55中间合金按照质量分数Ti88.0％、Al9.7％、Mo 0.75％、V 1.5％配料并均匀混合后压制成钛合金电极，将电极在真空自耗电极电弧炉中进行真空溶炼，溶炼真空度2--7Pa、弧电压31-35V、弧电流5000-6000A，溶炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中溶化后浇注高尔夫球头铸件浇注真空度1--5Pa、弧电压38-40V、弧电流28000--30000A，浇铸后材料的化学成分为：Ti88.0％、Al9.53％、Mo 0.75％、V 1.43％。浇铸后对材料进行800℃固溶10分钟后充氩冷却至室温，之后升温至480℃时效6.5小时后充氩冷却至室温。
浇铸后材料其铸造状态下室温屈服强度790MPa，抗拉强度880MPa，延伸率9.0％，断面收缩率18.0％，冲击韧性48.5J/cm2，硬度HRC＝32.0，密度为4.34g/cm3，球头的浇注成品率100％。
浇铸后材料800℃固溶480℃时效后合金性能：室温屈服强度750MPa，抗拉强度760MPa，延伸率4.0％，断面收缩率14.0％，冲击韧性36.0J/cm2，硬度HRC＝33.0，密度为4.34g/cm3。
实施例5：
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60和Al-V55中间合金按照质量分数Ti87.5％、Al10.0％、Mo 1.5％、V 1.0％配料并均匀混合后压制成钛合金电极，将电极在真空自耗电极电弧炉中进行真空溶炼，溶炼真空度2--10Pa、弧电压31-35V、弧电流5000-6000A，溶炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中溶化后浇注高尔夫球头铸件浇注真空度0--4Pa、弧电压35-38V、弧电流23000--24000A，浇铸后材料的化学成分为：Ti87.4％、Al9.87％、Mo 1.45％、V 0.91％。浇铸后对材料进行800℃固溶10分钟后充氩冷却至室温，之后升温至480℃时效6.5小时后充氩冷却至室温。
浇铸后材料室温屈服强度770MPa，抗拉强度800MPa，延伸率7.0％，断面收缩率26.5％，冲击韧性50.0J/cm2，硬度HRC＝34.0，密度为4.33g/cm3，球头的浇注成品率100％。
浇铸后材料800℃固溶480℃时效后合金性能：室温屈服强度810MPa，抗拉强度870MPa，延伸率6.0％，断面收缩率17.0％，冲击韧性46.0J/cm2，硬度HRC＝31.0，密度为4.33g/cm3。
上述实施例1-5的材料含量其余量均为不可避免杂质。
Claims (3)
1.一种低密度高性能钛合金材料，其特征在于：钛合金材料密度范围是4.33--4.35g/cm3，质量百分比为：Ti：87.0～90.0％；Al：8.35～10.0％；Mo：0.75～1.5％；V：0.75～1.5％；其余为不可避免杂质。
2.一种权利要求1所述低密度高性能钛合金材料的制备方法，其特征在于：以海绵Ti为基体加入纯Al、Al-Mo和Al-V中间合金组成Ti-9Al-1Mo-1V，将海绵Ti、纯Al、Al-Mo和Al-V中间合金按质量百分比Ti：87.0～90.0％、Al：8.35～10.0％；Mo：0.75～1.5％；V：0.75～1.5％配制，将配料混合均匀后压制成海绵Ti电极，然后将海绵Ti电极在真空自耗电极电弧炉中进行真空溶炼，溶炼真空度0-10Pa、弧电压30-36V、弧电流5000-6000A，溶炼后的钛合金材料在真空自耗电极凝壳炉真空度0-5Pa、弧电压30-40V、弧电流20000-30000A下进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为800℃时固溶10分钟，并在480℃时效6.5小时，得低密度高性能钛合金材料。
3.一种权利要求1所述低密度高性能钛合金材料的制备方法，其特征在于：以海绵Ti为基体加入纯Al、Al-Mo和Al-V中间合金组成Ti-9Al-1Mo-1V，将海绵Ti、纯Al、Al-Mo和Al-V中间合金按质量百分比Ti：87.0～90.0％、Al：8.35～10.0％；Mo：0.75～1.5％；V：0.75～1.5％配制，在真空感应炉真空度0-5Pa、溶炼功率200-300KW下溶炼后进行产品浇注然后进行固溶时效处理，处理工艺为800℃时固溶10分钟，并在480℃时效6.5小时，得低密度高性能钛合金材料。
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