CN101787465A - 一种低密度高铸造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铸造性能钛合金材料及其制备方法，其名义成分为Ti-9Al-1Mo，质量比Ti：87.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％、以及总量为0～0.8％的V、Nb、Cr；将海绵Ti、纯Al、Al-Mo、Al-V、Al-Nb、Al-Cr中间合金配料、混合并搅拌均匀后压制成海绵Ti电极，然后在真空自耗电极电弧炉中进行真空熔炼，然后在真空自耗电极凝壳炉中进行浇注，得到低密度钛合金材料。本发明的材料密度低，流动性好，强度、延伸率、冲击韧性较高浇注高尔夫球头薄壁件的成品率接近100％。

Description

一种低密度高铸造性能钛合金材料及其制备方法
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铸造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，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铸造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铸造性能钛合金材料，特征在于其名义成分为Ti-9Al-1Mo，钛合金材料组成质量百分比为：Ti：87.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％、以及总量为0～0.8％的V、Nb、Cr，其余为不可避免杂质。
本发明的一种低密度高铸造性能钛合金材料，其优选的技术方案可以是：所述钛合金材料组成质量百分比为：Ti：88.4～89.7％、Al：9.0～9.3％、Mo：1.0～2.0％、以及总量为0～0.8％的V、Nb、Cr。上述优选的技术方案更优选的技术方案是：所述的钛合金材料组成质量百分比为：Ti：88.4～89.7％、Al：9.0～9.3％、Mo：1.0～2.0％，以及总量为0.1～0.8％的V、Nb、Cr。
一种低密度高铸造性能钛合金材料，其优选的技术方案还可以是：所述的钛合金材料组成质量百分比为：Ti：87.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％，以及总量为0.1～0.8％的V、Nb、Cr。上述优选的技术方案更优选的技术方案是：所述的钛合金材料组成质量百分比为：88.4～89.7％、Al：9.0～9.3％、Mo：1.0～2.0％，以及总量为0.6～0.8％的V、Nb、Cr。
该低密度高铸造性能钛合金材料密度为4.32--4.36g/cm3，该钛合金以钛铝钼为主要合金成分，并可进一步选择添加0.8wt％以下的V、Nb、Cr元素，以组成密度4.36g/cm3以下的钛合金，因而形成密度较低且综合力学性能较高的钛合金。
本发明的低密度高铸造性能钛合金材料的制备方法是：将海绵Ti、纯Al、Al-Mo、Al-V、Al-Nb、Al-Cr中间合金按照需要的Ti、Al、Mo质量百分比，例如按照质量百分比Ti：87.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％配制；或者按照Ti：87.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％、(0--0.8％)V/Nb/Cr配制；将配料混合并搅拌均匀后压制成海绵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熔炼，此时熔炼真空度0-10Pa、弧电压30-36V、弧电流5000-6000A，熔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Ti-9Al-1Mo产品浇注，得到低密度钛合金材料。
本发明的低密度高性能钛合金材料的制备方法还可以是：将海绵Ti、纯Al、Al-Mo、Al-V、Al-Nb、Al-Cr中间合金按照需要的Ti、Al、Mo等元素质量百分比，例如按照Ti：87.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％配制；或按质量分数Ti：86.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％、(0.1--0.8％)V/Nb/Cr配制，在真空感应炉真空度0-5Pa、熔炼功率200-300KW下熔炼后进行Ti-9Al-1Mo产品浇注得到低密度钛合金材料。
本发明所述的Al-Mo、Al-V、Al-Nb、Al-Cr中间合金，其Al质量含量可以是15％～95％，更好的质量含量范围是30％～70％，最好的质量含量范围是40％～60％。
Ti-9Al-1Mo低密度钛合金材料具有很低的密度、铸造流动性、高的延伸率、冲击韧性，且具有较佳的强度。本发明在Ti-Al-Mo三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的熔点很高、不易溶解，为了在海绵Ti基体中加入Mo元素，材料制造时采用Al-Mo中间合金的形式加入，Mo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。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，但经固溶时效热处理后Ti3Al脆性相析出较多导致延伸率下降明显；当Mo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元素会提高材料的密度。进一步添加少量的V、Nb、Cr元素，在几乎不降低材料延伸率的同时可以增加低密度钛合金材料的强度，且V、Nb也有抑制Ti3Al脆性相析出的作用。
本发明的低密度钛合金材料，铸造状态下合金的性能：室温屈服强度≥665MPa，抗拉强度≥730MPa，延伸率≥6.0％，冲击韧性≥14J/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低密度、高铸造性能钛合金材料具有很低的密度、好的流动性能、较高的强度、延伸率、冲击韧性。
2、本发明的Ti-9Al-1Mo低密度、高铸造性能钛合金材料的力学性能和密度指标为：
1)密度：4.32--4.36g/cm3；
2)铸造合金的性能：室温屈服强度≥665MPa，抗拉强度≥730MPa，延伸率≥6.0％，冲击韧性≥14J/cm2；
3)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中间合金按照质量分数Ti90.8％、Al8.4％、Mo0.5％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熔炼，熔炼真空度0--6Pa、弧电压30-36V、弧电流5000-6000A，熔炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔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。球头的浇注成品率100％。
实施例2
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60中间合金按照质量分数Ti89.7％、Al9.0％、Mo1.0％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熔炼，熔炼真空度2--8Pa、弧电压30-35V、弧电流5000-6000A，熔炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇注高尔夫球头。铸件浇注真空度1--3Pa、弧电压31-34V、弧电流21000--24000A。球头的浇注成品率100％。
实施例3
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60中间合金按照质量分数Ti88.8％、Al10.0％、Mo1.0％配料并混合后在真空感应炉中进行真空熔炼，熔炼真空度2--5Pa、熔炼功率200KW，熔炼结束后浇注高尔夫球头铸件，浇注真空度0--5Pa。球头的浇注成品率98％。
实施例4
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60中间合金按照质量分数Ti88.4％、Al9.3％、Mo2.0％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熔炼，熔炼真空度2--6Pa、弧电压32-35V、弧电流5000-6000A，熔炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇注高尔夫球头铸件，浇注真空度1--5Pa、弧电压39-40V、弧电流28000--30000A。球头的浇注成品率100％。
实施例5
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60、Al-V55中间合金按照质量分数Ti89.4％、Al8.7％、Mo0.7％、V0.8％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熔炼，熔炼真空度3--10Pa、弧电压33-35V、弧电流5000-6000A，熔炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇注高尔夫球头铸件，浇注真空度0--4Pa、弧电压36-38V、弧电流23000--24000A。球头的浇注成品率100％。
实施例6
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60、Al-Nb50中间合金按照质量分数Ti89.3％、Al8.8％、Mo0.75％、Nb0.8％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熔炼，熔炼真空度3--8Pa、弧电压32-35V、弧电流5000-6000A，熔炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇注高尔夫球头铸件浇注真空度1--4Pa、弧电压33-36V、弧电流22000--23000A。球头的浇注成品率97％。
实施例7
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60、Al-Cr50中间合金按照质量分数Ti89.7％、Al8.4％、Mo1.0％、Cr0.6％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熔炼，熔炼真空度3--6Pa、弧电压32-35V、弧电流5000-6000A，熔炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇注高尔夫球头铸件浇注真空度1--5Pa、弧电压35-38V、弧电流22000--24000A。球头的浇注成品率100％。
实施例8
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60、Al-Cr50、Al-Nb50中间合金按照质量分数Ti89.7％、Al8.4％、Mo1.0％、Cr0.3％、Nb0.5％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熔炼，熔炼真空度3--6Pa、弧电压32-35V、弧电流5000-6000A，熔炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇注高尔夫球头铸件浇注真空度1--5Pa、弧电压35-38V、弧电流22000--24000A。球头的浇注成品率100％。
实施例9
用海绵Ti、纯Al、Al-Mo60、Al-Cr50、Al-V50、Al-Nb50中间合金按照质量分数Ti89.7％、Al8.4％、Mo1.0％、Cr0.2％、V0.3％、0.3Nb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熔炼，熔炼真空度3--6Pa、弧电压32-35V、弧电流5000-6000A，熔炼成的钛合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇注高尔夫球头铸件浇注真空度1--5Pa、弧电压35-38V、弧电流22000--24000A。球头的浇注成品率100％。
上述实施例1-9钛合金材料其余量均为不可避免杂质，浇铸后材料的化学含量、密度和力学性能见表1所示。
表1本发明的低密度高铸造性能的钛合金材料性能
实施例   密度(g/cm3)   屈服强度(Rp0.2/MPa)   抗拉强度(Rm/MPa)   延伸率(A/％)   冲击韧性(ak/J.cm-2)   硬度(HRC)
  实施例1：Ti-8.4Al-0.5Mo 4.34 665 730 10.0 83 31.0
  实施例2：Ti-9.0Al-1Mo 4.36 715 770 8.0 61 31.2
  实施例3：Ti-10.0Al-1Mo 4.32 765 835 6.0 15 32.3
  实施例4：Ti-9.3Al-2.0Mo 4.36 790 860 8.0 48 32.0
实施例   密度(g/cm3)   屈服强度(Rp0.2/MPa)   抗拉强度(Rm/MPa)   延伸率(A/％)   冲击韧性(ak/J.cm-2)   硬度(HRC)
  实施例5：Ti-8.7Al-0.7Mo-0.8V 4.35 745 825 8.5 68 31.1
  实施例6：Ti-8.8Al-0.75Mo-0.8Nb 4.35 730 805 8.0 55 29.0
  实施例7：Ti-8.4Al-1.0Mo-0.6Cr 4.36 735 795 8.0 60 30.0
  实施例8：Ti-8.4Al-1.0Mo-0.3Cr-0.5Nb 4.36 735 805 8.0 61 30.3
  实施例9：Ti-8.4Al-1.0Mo-0.2Cr-0.3V-0.3Nb 4.36 740 820 7.5 58 30.1

Claims (7)

1.一种低密度高铸造性能钛合金材料，特征在于：钛合金材料名义成分为Ti-9Al-1Mo，组成质量百分比为：Ti：87.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％、以及总量为0～0.8％的V、Nb、Cr，其余为不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述低密度高铸造性能钛合金材料，其特征在于：所述钛合金材料组成质量百分比为：Ti：88.4～89.7％、Al：9.0～9.3％、Mo：1.0～2.0％、以及总量为0～0.8％的V、Nb、Cr。
3.根据权利要求2所述低密度高铸造性能钛合金材料，其特征在于：所述的钛合金材料组成质量百分比为：Ti：88.4～89.7％、Al：9.0～9.3％、Mo：1.0～2.0％，以及总量为0.1～0.8％的V、Nb、Cr。
4.根据权利要求1所述低密度高铸造性能钛合金材料，其特征在于：所述的钛合金材料组成质量百分比为：Ti：87.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％，以及总量为0.1～0.8％的V、Nb、Cr。
5.根据权利要求4所述低密度高铸造性能钛合金材料，其特征在于：所述的钛合金材料组成质量百分比为：Ti：88.4～89.7％、Al：9.0～9.3％、Mo：1.0～2.0％，以及总量为0.6～0.8％的V、Nb、Cr。
6.一种权利要求1、2、3、4或5任一项所述低密度高铸造性能钛合金材料的制备方法，其特征在于：将海绵Ti、纯Al、Al-Mo、Al-V、Al-Nb、Al-Cr中间合金按照需要的Ti、Al、Mo、V、Nb、Cr质量百分比进行配料，将配料混合并搅拌均匀后压制成海绵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熔炼，此时熔炼真空度0-10Pa、弧电压30-36V、弧电流5000-6000A，熔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Ti-9Al-1Mo产品浇注，得到低密度钛合金材料。
7.一种权利要求1、2、3、4或5任一项所述低密度高铸造性能钛合金材料的制备方法，其特征在于：将海绵Ti、纯Al、Al-Mo、Al-V、Al-Nb、Al-Cr中间合金按照需要的Ti、Al、Mo、V、Nb、Cr元素质量百分比配制，在真空感应炉真空度0-5Pa、熔炼功率200-300KW下熔炼后进行Ti-9Al-1Mo产品浇注得到低密度钛合金材料。
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