CN101921930A - 多元微合金化钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种多元微合金化钛合金及其制备方法。钛合金各组分和重量百分比为：Al：4.4％-5.7％，Mo：4.0％-5.5％，V：4.0％-5.5％，Cr：0.5％-1.5％，Fe：0.5％-1.5％，B₄C：0.05％-0.42％，C：0.03％-0.05％，余量为Ti元素，本发明制备方法：按微合金化钛合金各组分和重量百分比取海绵钛、固溶合金化元素、碳化硼、石墨；均匀混合后压制成电极，将电极组焊，装入真空自耗或真空非自耗电弧炉；真空自耗或真空非自耗电弧炉抽取真空后，开始熔炼，并通过原位自生反应生成TiB短纤维和TiC颗粒；冷却凝固后即得到多元微合金化韧钛合金。本发明具有更加优良的综合机械性能。工艺流程和设备，简易、快捷、高效，同时大大降低了制备成本，适合大规模工业生产。

Description

多元微合金化钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属材料技术领域的钛合金及其制备方法，具体地说，是一种包含微量TiB短纤维和TiC颗粒的多元微合金化钛合金及其制备方法。

背景技术

钛合金因其优良的机械性能和物理性能而被广泛应用于航空、航天、能源、电力、石油、化工、生物、医药等各个经济领域。面对高技术时代对高性能钛合金材料日益紧迫的要求，传统的钛合金材料发展到接近某种性能的最高限度时，出现了由固溶强化钛合金向通过增强体加以增强的趋势。与连续纤维增强的钛合金相比，短纤维及颗粒增强的钛合金具有制备工艺简单、热机加工性好和成本低等优点。通常的增强体候选物为高硬度、高熔点的物相，这其中TiB与TiC与钛的相容性好，泊松比相近，密度相差不大，因而被认为是非常理想的非连续增强体材料。现在所使用的含TiB短纤维和TiC颗粒的钛合金，多是利用其对晶界的钉扎作用以及TiB短纤维的承载作用等来提高力学性能。增强体重量百分比通常较大。如此一来，在提高某些力学性能的同时，也会对另外一些性能产生不利影响，如降低塑性等。本发明涉及的包含微量TiB短纤维和TiC颗粒的多元微合金化高强高韧钛合金，由于TiB短纤维和TiC颗粒数量微小，制备出的钛合金中TiB短纤维和TiC颗粒尺寸细小、分布均匀，在有效地利用其增强增韧作用的同时，可以最大限度地降低其对组织的不利影响。在制备方法上，早期的外加法因存在增强体易被污染，增强体与基体有严重界面反应等问题，而逐步被原位合成法所取代。粉末冶金、机械合金化、快速凝固、熔铸等方法都可应用于原位合成增强体增强钛合金。其中原位熔铸法加工工艺具有操作简便、成本低廉等优势。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为CN1376809，公开日为2002.10.30，专利名称：一种高强度原位晶须和颗粒复合增强钛基复合材料。该专利自述为：“制备过程如下：采用物理机械方法使40-150μm的钛或钛合金和0.5-15μm的碳化硼粉末均匀混合，钛或钛合金和碳化硼的重量比为92.5∶1到13.1∶1；混合粉末冷压实后在10-5，托真空条件下逐步加除热气，然后再1150-1350℃，50-200MPa条件下真空烧结0.5-4小时；热压锭在1000-1200℃以10∶1-40∶1挤压比挤压成型。”该专利采用粉末挤压成型而后真空烧结的方法，制备TiB和TiC增强的钛基复合材料，但该方法工艺复杂，对加工设备要求高，难以制备大零件和实现批量化生产。且制备原料钛粉、合金化元素粉末成本昂贵。最终合成的增强体尺寸也比较粗大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点，提供一种多元微合金化钛合金及其制备方法。本发明在不改变传统钛合金生产流程及设备的情况下，低成本、高效率地制备出多元微合金化高强高韧钛合金。包含的微量TiB短纤维和TiC颗粒尺寸细小、分布均匀、界面结合良好，力学性能与物理性能优异。可以满足大规模工业生产的需要。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明将普通的熔铸工艺与原位自生反应相结合，利用钛与微量碳化硼及石墨之间的原位自生反应制备出包含微量TiB短纤维和TiC颗粒的多元微合金化高强高韧钛合金。

本发明涉及多元微合金化钛合金，钛合金各组分和重量百分比为：Al：4.4％-5.7％，Mo：4.0％-5.5％，V：4.0％-5.5％，Cr：0.5％-1.5％，Fe：0.5％-1.5％，B4C：0.05％-0.42％，C：0.03％-0.05％，余量为Ti元素。

本发明涉及多元微合金化钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，按微合金化钛合金各组分和重量百分比取海绵钛、固溶合金化元素、碳化硼、石墨，其中：钼元素和钒元素分别以铝钼和铝钒中间合金形式加入，铝元素以铝条形式加入，铁元素以铁钉形式加入，铬元素以铬块形式加入；

所述的海绵钛为采用零级海绵钛以控制合金基体中较低的间隙杂质元素含量

所述的铝元素与所述的钼元素组成的中间合金中，钼元素质量分数为60％；

所述的铝元素和所述的钒元素组成的中间合金中，钒元素质量分数为84％。

步骤二，均匀混合后压制成电极，将电极组焊，装入真空自耗或真空非自耗电弧炉；

步骤三，真空自耗或真空非自耗电弧炉抽取真空后，开始熔炼，并通过原位自生反应生成TiB短纤维和TiC颗粒；

步骤四，冷却凝固后即得到多元微合金化韧钛合金。

步骤三中所述的熔炼次数不少于两次。

步骤三中所述的TiB短纤维和TiC颗粒重量百分比综合控制在2.2％以内。

步骤三中所述的TiB短纤维和TiC颗粒为多元微合金化钛合金总量的重量百分比为：1％-0.5％。

步骤三中所述的TiB短纤维和TiC颗粒的摩尔比为1∶1-4∶1。

本发明通过熔铸工艺原位合成的多元微合金化高强高韧钛合金，可以通过添加不同固溶合金化元素加以改变，固溶合金化元素的含量根据钛与钛合金牌号和化学成分国家标准确定。微量TiB短纤维和TiC颗粒的含量通过添加不同含量的碳化硼和石墨加以改变，不添加石墨，TiB与TiC的摩尔比为4∶1，添加不同含量石墨可以改变TiB与TiC的摩尔比。TiB与TiC的生成按钛与碳化硼或石墨之间的如下反应式进行：

5Ti+B₄C＝4TiB+TiC

Ti+C＝TiC

本发明可以经过锻造、轧制等加工工艺制成各种工业型材。并可通过适当的热处理进一步提高综合机械性能。由于所含TiB短纤维和TiC颗粒数量微小、尺寸细小、分布均匀，在有效发挥其对合金组织增强增韧作用的同时，将不利影响降到最低，从而使得合金材料具有更加优良的综合机械性能。该发明充分利用了熔铸法和原位合成的优点，可以利用与钛合金制备相近的工艺流程和设备，简易、快捷、高效，同时大大降低了制备成本，适合大规模工业生产。

具体实施方式

以下对本发明提供的四个实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

制取TiB短纤维和TiC颗粒重量百分比0.5％的多元微合金化高强高韧钛合金，TiB和TiC的摩尔比为4∶1。

本实施例按照化学重量百分比，Al：4.4％-5.7％，Mo：4.0％-5.5％，V：4.0％-5.5％，Cr：0.5％-1.5％，Fe：0.5％-1.5％，B₄C：0.09％-0.11％，余量为Ti元素。其中钼，钒分别以铝钼和铝钒中间合金形式加入。将各组分混合均匀后，压制成电极，将电极组焊，真空自耗熔炼，样品熔炼三次，制得多元微合金化高强高韧钛合金。TiB与TiC的摩尔比为4∶1。

本实施例由于TiB短纤维和TiC颗粒是通过原位自生反应而生成，其界面干净，结合良好。此外，反应生成的TiB与TiC均有一定的位向关系，有利于提高界面的结合强度。微量TiB短纤维和TiC颗粒的加入可以细化晶粒，改善组织，达到增强增韧的目的。同时由于数量微小，对材料的不利影响可忽略不计。

实施例2

本实施例制取TiB短纤维和TiC颗粒重量百分比1％的多元微合金化高强高韧钛合金，TiB和TiC的摩尔比为4∶1。

本实施例按照化学重量百分比，Al：4.4％-5.7％，Mo：4.0％-5.5％，V：4.0％-5.5％，Cr：0.5％-1.5％，Fe：0.5％-1.5％，B4C：0.19％-0.21％，余量为Ti元素。其中钼，钒分别以铝钼和铝钒中间合金形式加入。将各组分混合均匀后，压制成电极，将电极组焊，真空自耗熔炼，样品熔炼三次，制得多元微合金化高强高韧钛合金。TiB与TiC的摩尔比为4∶1。

本实施例由于TiB短纤维和TiC颗粒是通过原位自生反应而生成，其界面干净，结合良好。此外，反应生成的TiB与TiC均有一定的位向关系，有利于提高界面的结合强度。微量TiB短纤维和TiC颗粒的加入可以细化晶粒，改善组织，达到增强增韧的目的。同时由于数量微小，对材料的不利影响可忽略不计。和实施例1相比，TiB短纤维和TiC颗粒的含量微小增加，进一步细化了晶粒，同时提高了TiB短纤维承担载荷的能力，有利于进一步提高强度和韧性。

实施例3

本实施例制取TiB短纤维和TiC颗粒重量百分比2％的多元微合金化高强高韧钛合金，TiB和TiC的摩尔比为4∶1。

本实施例按照化学重量百分比，Al：4.4％-5.7％，Mo：4.0％-5.5％，V：4.0％-5.5％，Cr：0.5％-1.5％，Fe：0.5％-1.5％，B₄C：0.38％-0.42％，余量为Ti元素。其中钼，钒分别以铝钼和铝钒中间合金形式加入。将各组分混合均匀后，压制成电极，将电极组焊，真空自耗熔炼，样品熔炼三次，制得多元微合金化高强高韧钛合金。TiB与TiC的摩尔比为4∶1。

本实施例由于TiB短纤维和TiC颗粒是通过原位自生反应而生成，其界面干净，结合良好。此外，反应生成的TiB与TiC均有一定的位向关系，有利于提高界面的结合强度。微量TiB短纤维和TiC颗粒的加入可以细化晶粒，改善组织，达到增强增韧的目的。同时由于数量微小，对材料的不利影响可忽略不计。和实施例2相比，TiB短纤维和TiC颗粒的含量微小增加，进一步细化了晶粒，同时提高了TiB短纤维承担载荷的能力，有利于进一步提高强度和韧性。

实施例4

本实施例制取TiB短纤维和TiC颗粒重量百分比0.5％的多元微合金化高强高韧钛合金，TiB和TiC的摩尔比为1∶1。

本实施例按照化学重量百分比，Al：4.4％-5.7％，Mo：4.0％-5.5％，V：4.0％-5.5％，Cr：0.5％-1.5％，Fe：0.5％-1.5％，B₄C：0.05％-0.07％，C：0.03％-0.05％，余量为Ti元素。其中钼，钒分别以铝钼和铝钒中间合金形式加入。将各组分混合均匀后，压制成电极，将电极组焊，真空自耗熔炼，样品熔炼三次，制得多元微合金化高强高韧钛合金。TiB与TiC的摩尔比为1∶1。

本实施例由于TiB短纤维和TiC颗粒是通过原位自生反应而生成，其界面干净，结合良好。此外，反应生成的TiB与TiC均有一定的位向关系，有利于提高界面的结合强度。微量TiB短纤维和TiC颗粒的加入可以细化晶粒，改善组织，同时由于数量微小，对材料的不利影响可忽略不计。和实施例1相比，微量TiB短纤维和TiC颗粒总含量相同，但TiB和TiC的摩尔比为1∶1，TiC含量的增高，在增强增韧的同时，有利于提高钛合金的硬度和耐磨性。

Claims (9)

1.一种多元微合金化钛合金，其特征在于，各组分和重量百分比为：Al：4.4％-5.7％，Mo：4.0％-5.5％，V：4.0％-5.5％，Cr：0.5％-1.5％，Fe：0.5％-1.5％，B₄C：0.05％-0.42％，C：0.03％-0.05％，余量为Ti元素。

2.一种根据权利要求1所述的多元微合金化钛合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，步骤一，按微合金化钛合金各组分和重量百分比取海绵钛、固溶合金化元素、碳化硼、石墨，其中：钼元素和钒元素分别以铝钼和铝钒中间合金形式加入，铝元素以铝条形式加入，铁元素以铁钉形式加入，铬元素以铬块形式加入；

步骤二，均匀混合后压制成电极，将电极组焊，装入真空自耗或真空非自耗电弧炉；

步骤三，真空自耗或真空非自耗电弧炉抽取真空后，开始熔炼，并通过原位自生反应生成TiB短纤维和TiC颗粒；

步骤四，冷却凝固后即得到多元微合金化韧钛合金。

3.根据权利要求2所述的多元微合金化钛合金的制备方法，其特征是，所述的海绵钛为采用零级海绵钛以控制合金基体中较低的间隙杂质元素含量。

4.根据权利要求2所述的多元微合金化钛合金的制备方法，其特征是，所述的铝元素与所述的钼元素组成的中间合金中，钼元素质量分数为60％。

5.根据权利要求2所述的多元微合金化钛合金的制备方法，其特征是，所述的铝元素和所述的钒元素组成的中间合金中，钒元素质量分数为84％。

6.根据权利要求2所述的多元微合金化钛合金的制备方法，其特征是，步骤三中所述的熔炼次数不少于两次。

7.根据权利要求2所述的多元微合金化钛合金的制备方法，其特征是，步骤三中所述的TiB短纤维和TiC颗粒重量百分比综合控制在2.2％以内。

8.根据权利要求2所述的多元微合金化钛合金的制备方法，其特征是，所述的TiB短纤维和TiC颗粒为多元微合金化钛合金总量的重量百分比为：1％-0.5％。

9.根据权利要求2所述的多元微合金化钛合金的制备方法，其特征是，所述的TiB短纤维和TiC颗粒的摩尔比为1∶1-4∶1。