CN101886188B

CN101886188B - β钛合金及其制备方法

Info

Publication number: CN101886188B
Application number: CN2010101410575A
Authority: CN
Inventors: 马云庆; 刘旭亮; 杨水源; 张欣桥; 施展; 黄艺雄; 张锦彬; 王翠萍; 刘兴军
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2030-04-08
Also published as: CN101886188A

Abstract

β钛合金及其制备方法，涉及一种钛合金。提供一种低成本、高强度的β钛合金及其制备方法。β钛合金的组成及其按质量百分比的含量为铁0.5％～2.5％、铝1.5％～3.5％、铬2％～4％、铌6％～11％，余量为钛。将海绵态的钛熔炼，再将熔炼后的钛与铁、铝、铬、铌进行熔炼，得β钛合金锭材；再均匀化热处理后随炉冷却，热轧成片状合金材料，切成试样，固溶处理后冰水淬火，再进行时效处理，即得β钛合金。强度高，经过拉伸实验，结果表明该β钛合金固溶态的室温拉伸强度为850MPa以上，延伸率15％以上；时效态的室温拉伸强度为1300MPa以上，延伸率4％以上，其强度能够达到1300MPa以上，同时保持一定的塑性。

Description

β钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金，尤其是涉及一种低成本高强度的β钛合金及其制备方法。

背景技术

钛合金以其比强度高、耐腐蚀能力强以及耐热耐冷性能好等特点被人们誉为“魔力”金属或“神奇”金属，先后在航空航天、海洋发电以及化工冶金等方面得到应用，也因其价格较贵而无法广泛应用于人们的日常生活。但是其潜在的前景是无法估量的，如海洋潜水员以及攀岩爱好者，轻质高强而又耐腐蚀的用具是他们的首选，在体育领域轻质高强的钛合金也可以用作橄榄球运动员头盔面部防护材料以及自行车用料等。但是必须要解决的是降低钛合金的成本，才能让钛合金走进人们的生活。

目前，在已有的专利文献中，有许多是对于高强度钛合金的研究。但是也存在着一些不尽如人意的地方，如添加氮、氧来提高钛合金的强度，但是氮和氧也极易引起脆性，而且这些元素的添加量很不容易控制；再如添加硼来提高强度，但硼在钛中的溶解度只有0.2at.％左右，极易析出TiB而引起脆性；同样对于一些添加高铝含量的钛合金也因析出Ti₃Al而塑性恶化；或者含有大量V元素等而使成本提高。

中国专利CN101010438公开一种具有优异的冷加工性，并且具有比Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金有更高强度的β型钛合金，其以重量％计，含有：V：5～15％、Fe：0.5～2.5％、Mo：0.5～6％、Cr：0.5～5％，并且在设所含有的V的重量％为Xv，所含有的Fe的重量％为X_Fe，所含有的Mo的重量％为X_Mo，所含有的Cr的重量％为X_Cr时，X_V+2.95X_Fe+1.5X_Mo+1.65X_Cr的值为15～23％，还含有Al：1.5～5％，余量由Ti以及杂质构成。虽然具有良好的冷加工性能且时效后强度可达1300MPa左右，但是没有公布其具体的塑性指标。

中国专利CN101182609公开了一种紧固件用钛合金，该合金按重量百分比组成为：V14～16％，Cr 2.5～3.5％，Al 2.5～3.5％，Sn 2.5～3.5％，Nb 0.5～5％，Zr 0.5～5％，Ta 0.1％-1.5％，余量为钛及不可避免的杂质。本发明所制备的合金棒材和板材具有良好的综合性能，尤其是强度和塑性匹配优异，室温拉伸性能：σ_b≥1250MPa，δ₅≥10％，Ψ≥30％，可以在350℃下长期使用；该合金在最佳热处理下其抗拉强度达到1250MPa以上，延伸率达到13％以上，面缩率达到36％以上。虽然具有强度与塑性匹配较好的性能，但是较高的钒含量使得成本上升而抗氧化性下降；同样对于综合性能较优的Ti-20V-4Al-1Sn也存在着钒含量偏高的不足。

中国专利CN101314827公开了一种β型钛合金，其重量百分比为钼9％～15％，铌6％～10％，钽2％～6％，锆2％～6％，铝1％～3％，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，海绵锆，Ti-31％Mo、Ti-53％Nb、Al-80％Ta混料后制成自耗电极；经真空自耗电弧炉熔炼获得一次铸锭；由一次铸锭作为自耗电极进行熔炼获得二次铸锭；由二次铸锭作为自耗电极真空自耗熔炼成成品钛合金锭。本发明不仅具有高强度，而且具有较高的延伸率和塑性，既能满足应用需求的强度，又易于加工成型、减少能耗。虽然具有高强度和较高塑性，抗拉强度为1060～1200MPa，同时收缩率能够达到30％～50％，但是该合金含有熔点很高且价格昂贵的贵金属钽。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、高强度的β钛合金及其制备方法。

本发明所述β钛合金的组成及其按质量百分比的含量为铁0.5％～2.5％、铝1.5％～3.5％、铬2％～4％、铌6％～11％，余量为钛。

本发明所述β钛合金的制备方法包括以下步骤：

1)将海绵态的钛放入电弧炉，抽真空后充入氩气进行熔炼，再将熔炼后的钛与铁、铝、铬、铌进行熔炼，得β钛合金锭材；

2)将β钛合金锭材进行均匀化热处理后，随炉冷却；

3)将经过热处理的β钛合金锭材热轧成片状合金材料；

4)将得到的片状合金材料切成试样，固溶处理后冰水淬火，然后进行时效处理，即得β钛合金。

在步骤1)中，所述再将熔炼后的钛与铁、铝、铬、铌进行熔炼，最好将熔炼后的钛与铁、铝、铬、铌各原料放入非自耗真空电弧炉内，可多次翻转熔炼并配合磁搅拌；所述抽真空的真空度至少6×10^-3Pa，充入氩气至0.5～0.7×10⁵Pa，所述翻转熔炼最好至少翻转4次；所述钛、铁、铝、铬和铌各原料的纯度最好不小于99.5％。

在步骤2)中，所述均匀化热处理的温度可为900～1000℃，均匀化热处理的时间最好至少12h；所述均匀化热处理的真空度最好为2×10^-3～5×10^-3Pa。

在步骤3)中，所述热轧的温度可为700～800℃；所述片状合金材料的厚度最好为1～2mm。

在步骤4)中，所述将得到的片状合金材料切成试样可采用线切割方法切成试样；所述固溶处理的温度最好为900～1000℃，固溶处理的时间最好为0.5～1.5h；所述时效处理的温度最好为400～500℃，时效处理的时间最好为0.5～3h；试样最好为哑铃状拉伸试样。

与现有的β钛合金相比，本发明的突出优点是：

1)强度高，经过拉伸实验，结果表明该β钛合金固溶态的室温拉伸强度为850MPa以上，延伸率15％以上；时效态的室温拉伸强度为1300MPa以上，延伸率4％以上，其强度能够达到1300MPa以上，同时保持一定的塑性，是一种综合性能优异的β钛合金，能够广泛用于汽车零部件、高强度连接件、眼镜架、焊丝、高尔夫球头等。

2)成本较低廉，能够满足多种行业所需。

附图说明

图1为Ti-1.5Fe-2Al-4Cr-8Nb钛合金片材固溶态的室温拉伸应力应变曲线。在图1中，横坐标为拉伸应变Tensile Strain(％)，纵坐标为拉伸应力Tensile Stress(MPa)。

图2为Ti-1.5Fe-2Al-4Cr-8Nb钛合金片材时效态的室温拉伸应力应变曲线。在图2中，横坐标为拉伸应变Tensile Strain(％)，纵坐标为拉伸应力Tensile Stress(MPa)。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：制备Ti-1.5Fe-2Al-4Cr-8Nb钛合金

先将海绵态的钛放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10^-3Pa，充入高纯氩气至0.7×10⁵Pa后翻转熔炼2次。然后将高纯的铁、铝、铬、铌和之前熔炼好的钛按重量百分比称量、清洗后放入非自耗真空电弧炉内，按之前的方法并配合磁搅拌反复熔炼5次，得到β钛合金锭材。将上述制得的β钛合金锭材放入真空热处理炉内进行均匀化热处理，真空度为5×10^-3Pa，热处理温度900℃下保温24h后，随炉冷却。将上述经过热处理的β钛合金锭材在700℃进行热轧，热轧成1mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样，然后封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在900℃保温45min，然后迅速进行水淬，即得到本发明要求的固溶态拉伸试样。其中一部分固溶态拉伸试样在淬火后进行时效处理，也是封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在450℃保温0.5h，即得到本发明要求的时效态拉伸试样。

采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述钛合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.5mm/min。拉伸结果：固溶态的抗拉强度900MPa，延伸率19％(拉伸曲线见图1)；时效态的抗拉强度1300MPa，延伸率5％(拉伸曲线见图2)。

实施例2：制备Ti-2.5Fe-1.5Al-2Cr-11Nb钛合金

先将海绵态的钛放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10^-3Pa，充入高纯氩气至0.7×10⁵Pa后翻转熔炼2次。然后将高纯的铁、铝、铬、铌和之前熔炼好的钛按重量百分比称量、清洗后放入非自耗真空电弧炉内，按之前的方法并配合磁搅拌反复熔炼5次，得到β钛合金锭材。将上述制得的β钛合金锭材放入真空热处理炉内进行均匀化热处理，真空度为5×10^-3Pa，热处理温度1000℃下保温12h后，随炉冷却。将上述经过热处理的β钛合金锭材在800℃进行热轧，热轧成1mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样，然后封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在1000℃保温0.5h，然后迅速进行水淬，即得到本发明要求的固溶态拉伸试样。其中一部分固溶态拉伸试样在淬火后进行时效处理，也是封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在500℃保温0.5h，即得到本发明要求的时效态拉伸试样。

采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述钛合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.5mm/min。拉伸结果：固溶态的抗拉强度850MPa，延伸率16％；时效态的抗拉强度1330MPa，延伸率4％。

实施例3：制备Ti-0.5Fe-3.5Al-3Cr-6Nb钛合金

先将海绵态的钛放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10^-3Pa，充入高纯氩气至0.7×10⁵Pa后翻转熔炼2次。然后将高纯的铁、铝、铬、铌和之前熔炼好的钛按重量百分比称量、清洗后放入非自耗真空电弧炉内，按之前的方法并配合磁搅拌反复熔炼5次，得到β钛合金锭材。将上述制得的β钛合金锭材放入真空热处理炉内进行均匀化热处理，真空度为5×10^-3Pa，热处理温度900℃下保温24h后，随炉冷却。将上述经过热处理的β钛合金锭材在800℃进行热轧，热轧成1mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样，然后封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在900℃保温1.5h，然后迅速进行水淬，即得到本发明要求的固溶态拉伸试样。其中一部分固溶态拉伸试样在淬火后进行时效处理，也是封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在400℃保温3h，即得到本发明要求的时效态拉伸试样。

采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述钛合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.5mm/min。拉伸结果：固溶态的抗拉强度860MPa，延伸率15％；时效态的抗拉强度1315MPa，延伸率4％。

Claims

1.β钛合金，其特征在于其组成及其按质量百分比的含量为铁0.5％～2.5％、铝1.5％～3.5％、铬2％～4％、铌6％～11％，余量为钛；

所述β钛合金的制备方法包括以下步骤：

2)将β钛合金锭材进行均匀化热处理后，随炉冷却；

3)将经过热处理的β钛合金锭材热轧成片状合金材料；

2.如权利要求1所述的β钛合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2)将β钛合金锭材进行均匀化热处理后，随炉冷却；

3)将经过热处理的β钛合金锭材热轧成片状合金材料；

3.如权利要求2所述的β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述再将熔炼后的钛与铁、铝、铬、铌进行熔炼，是将熔炼后的钛与铁、铝、铬、铌各原料放入非自耗真空电弧炉内，多次翻转熔炼并配合磁搅拌。

4.如权利要求2所述的β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述抽真空的真空度至少6×10^-3Pa，充入氩气至0.5～0.7×10⁵Pa。

5.如权利要求3所述的β钛合金的制备方法，其特征在于所述翻转熔炼至少翻转4次。

6.如权利要求2所述的β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述均匀化热处理的温度为900～1000℃，均匀化热处理的时间至少12h。

7.如权利要求2所述的β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述均匀化热处理的真空度为2×10^-3～5×10^-3Pa。

8.如权利要求2所述的β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述热轧的温度为700～800℃；所述片状合金材料的厚度为1～2mm。

9.如权利要求2所述的β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述将得到的片状合金材料切成试样采用线切割方法切成试样；所述固溶处理的温度为900～1000℃，固溶处理的时间为0.5～1.5h。

10.如权利要求2所述的β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述时效处理的温度为400～500℃，时效处理的时间为0.5～3h。