CN101928859A - 一种高冲击韧性的钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高冲击韧性的钛合金及其制备方法，其组成和配比为(重量)：4％～7％的Mo，2％～6％的V，并且Mo的含量与V的含量满足Mo％+0.7×(V％)＝8.2％～8.4％；2％～3.5％的Cr，2.8％～5.2％的Al，且Cr的含量与Al的含量满足1.6×(Cr％)-0.4％＝Al％；0.08％～0.12％的O，0.05％～0.10％的Fe，余量为Ti。本发明的钛合金，通过优化加工工艺加工后其Φ16mm小规格棒材冲击韧性不低于110J/cm²，是双态组织或魏氏组织Ti-6Al-4V合金冲击韧性的近两倍。本发明的钛合金可以应用于各种对承受冲击载荷有较高要求的结构件中。

Description

一种高冲击韧性的钛合金及其制备方法 

技术领域

本发明涉及一种高冲击韧性的钛合金及其制备方法，属于有色金属加工技术领域。 

背景技术

通常将低应变速率下的加载载荷称为准静态载荷，其应变速率一般不大于10^-2S^-1，常规拉伸和压缩性能测试时的加载即属于这类载荷。将材料在高应变速率下的加载载荷称为动态载荷，有时也称为冲击载荷，这类载荷的应变速率一般不低于10²S^-1低，高的甚至可达10⁴～10⁵S^-1。随着加载速率的提高，材料在承受载荷时的变形行为及失效模式明显的不同于常规的准静态加载。 

钛合金由于具有高的比强度、优异的耐腐蚀性能及优良的综合力学性能而被广泛的应用于航空、航天、舰船、兵器等军工领域。钛合金作为结构材料应用于军工领域，往往需要承受高应变速率的冲击载荷。随着钛合金在军工领域应用水平的提高，除了原有的常规力学性能之外，钛合金在冲击载荷下的性能也日益得到重视。冲击韧性即单位面积的冲击吸收功，可表征材料承受冲击载荷时发生变形直至断裂所吸收能量。冲击韧性的测试方法及实验设备都较为简单，工程上应用最早，且有成熟的国家标准，因此冲击韧性是目前评价材料承受冲击载荷能力的最简单参数。 

钛合金的冲击韧性一般不高，且加工和热处理状态对冲击韧性有显著的影响。Ti-6Al-4V合金Φ16mm小规格棒材等轴组织的典型性能为：抗拉强度Rm为900～1050MPa，延伸率A不低于10％，断面收缩率不低于25％，冲击韧性典型a_k值为30～45J/cm²；双态组织和魏氏组织的强度与等轴组织基本相当，塑性稍低，但冲击韧性明显提高，典型值也只是在60J/cm²左右。而实际应用中需要高冲击韧性的钛合金。因此，提供高冲击韧性的钛合金就成为该技术领域急需解决的技术问题。 

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高冲击韧性的钛合金。 

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 

一种高冲击韧性的钛合金，其特征在于：所述钛合金的组成和配比为(重量百分比)：4％～7％的Mo，2％～6％的V，并且Mo的含量与V的含量必须满足Mo％+0.7 ×(V％)＝8.2％～8.4％；2％～3.5％的Cr，2.8％～5.2％的Al，且Cr的含量与Al的含量必须满足1.6×(Cr％)-0.4％＝Al％；0.08％～0.12％的0，0.05％～0.10％的Fe，余量为Ti(其余C、N、H、Si等间隙元素成分按常规钛合金控制)。 

一种优选的技术方案，其特征在于：所述钛合金中Mo的含量与V的含量必须满足Mo％+0.7×(V％)＝8.3％。 

本发明的另一目的是提供上述高冲击韧性的钛合金的制备方法。 

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的： 

一种高冲击韧性的钛合金的制备方法，其步骤如下： 

(1)将市售的海绵钛、纯铝、纯铬、铝钼中间合金、铝钒中间合金按配比制备成电极块，用常规方法(真空自耗熔炼、凝壳炉熔炼、等离子束熔炼、电子束熔炼、悬浮炉熔炼等或其组合)制成铸锭； 

(2)步骤(1)所得铸锭在相变点以上开坯，逐步降温进行中间锻造或轧制，制成棒坯； 

(3)步骤(2)所得棒坯在相变点以上20～100℃范围内加热，然后采用轧制或锻造成形方法制成棒材； 

(4)步骤(3)所得棒材进行三重退火热处理，第一重退火处理是在相变点以下40℃～100℃保温30分钟后炉冷，第二重处理是在500℃～520℃保温8小时，第三重退火处理是升温至620℃～650℃保温30分钟后炉冷，得产品。 

本发明的优点是： 

本发明的高冲击韧性的钛合金，通过本发明中所述的优化加工工艺加工后其Φ16mm小规格棒材冲击韧性不低于110J/cm²，是双态组织或魏氏组织Ti-6Al-4V合金冲击韧性的近两倍，且强度和塑性不低于同规格Ti-6Al-4V合金棒材(室温拉伸强度不低于925MPa，延伸率不低于15％，面缩率不低于50％)。本发明的钛合金可以应用于各种对承受冲击载荷有较高要求的结构件中。 

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。 

具体实施方式

实施例1 

将市售的海绵钛、纯铝、纯铬、铝钼中间合金、铝钒中间合金按表1的 成分配比制备成电极块，电极块在真空等离子箱内焊接成真空自耗电极，然后进行三次真空自耗熔炼制成铸锭，用金相法测得铸锭的相变点为815℃。铸锭在相变点上开坯锻造，逐步降温经过中间锻造后制成φ35mm的轧制棒坯，棒坯加热到835℃后，在横列式轧机上轧制成φ16mm棒材。轧制成的棒材进行三重退火热处理，经过表2中所列的热处理制度处理后，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，按GB/T228-2007的要求测试室温U型缺口的冲击韧性，所有性能见表2。 

表1  实施例1中合金的配比成分 

表2  实施例1中棒材的力学性能 

其中，Rm-抗拉强度、Rp0.2-屈服强度、A-延伸率、Z-面缩率、a_ku-冲击韧性、FC-炉冷，以下同。 

实施例2 

将市售的海绵钛、纯铝、纯铬、铝钼中间合金、铝钒中间合金按表3的成分配比制备成电极块，电极块在真空等离子箱内焊接成真空自耗电极，然后进行三次真空自耗熔炼制成铸锭，用金相法测得铸锭的相变点为800℃。铸锭在相变点上开坯锻造，经过中间锻造后制成φ35mm的轧制棒坯，棒坯加热到845℃后，在横列式轧机上轧制成φ16mm棒材。轧制成的棒材进行三重退火热处理，经过表4中所列的热处理制度处理后，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，按GB/T228-2007的要求测试室温U型缺口的冲击韧性，所有性能见表4。 

表3  实施例2中合金的配比成分 

[0030] 表4  实施例2中棒材的力学性能 

实施例3 

将市售的海绵钛、纯铝、纯铬、铝钼中间合金、铝钒中间合金按表5的成分配比，然后在悬浮炉中熔炼制成铸锭，用金相法测得铸锭的相变点为750℃。铸锭在相变点上开坯锻造，逐步降温经过中间锻造后制成φ35mm的轧制棒坯，棒坯加热到850℃后，在横列式轧机上轧制成φ16mm棒材。轧制成的棒材进行三重退火热处理，经过表6中所列的热处理制度处理后，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，按GB/T228-2007的要求测试室温U型缺口的冲击韧性，所有性能见表6。 

表5  实施例3中合金的配比成分 

表6  实施例3中棒材的力学性能 

实施例4 

将市售的海绵钛、纯铝、纯铬、铝钼中间合金、铝钒中间合金按表7的成分配比，然后在悬浮炉中熔炼制成铸锭，用金相法测得铸锭的相变点为780℃。铸锭在相变点上开坯锻造，逐步降温经过中间锻造后制成φ35mm的轧制棒坯，棒坯加热到850℃后，在横列式轧机上轧制成φ16mm棒材。轧制成的棒材进行三重退火热处理，经过表8中所列的热处理制度处理后，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，按GB/T228-2007的要求测试室温U型缺口的冲击韧性，所有性能见表8。 

表7  实施例4中合金的配比成分 

[0042] 表8  实施例4中棒材的力学性能。 

Claims (3)

1.一种高冲击韧性的钛合金，其特征在于：所述钛合金的组成和配比为(重量百分比)：4％～7％的Mo，2％～6％的V，并且Mo的含量与V的含量满足Mo％+0.7×(V％)＝8.2％～8.4％；2％～3.5％的Cr，2.8％～5.2％的Al，且Cr的含量与Al的含量满足1.6×(Cr％)-0.4％＝Al％；0.08％～0.12％的0，0.05％～0.10％的Fe，余量为Ti。

2.根据权利要求1所述的高冲击韧性的钛合金，其特征在于：所述钛合金中Mo的含量与V的含量满足Mo％+0.7×(V％)＝8.3％。

3.一种高冲击韧性的钛合金的制备方法，其步骤如下：

(1)将市售的海绵钛、纯铝、纯铬、铝钼中间合金、铝钒中间合金按配比制备成电极块，用常规方法制成铸锭；

(2)步骤(1)所得铸锭在相变点以上开坯，逐步降温进行中间锻造或轧制，制成棒坯；

(3)步骤(2)所得棒坯在相变点以上20～100℃范围内加热，然后采用轧制或锻造成形方法制成棒材；

(4)步骤(3)所得棒材进行三重退火热处理，第一重退火处理是在相变点以下40℃～100℃保温30分钟后炉冷，第二重处理是在500℃～520℃保温8小时，第三重退火处理是升温至620℃～650℃保温30分钟后炉冷，得产品。