CN102965542B

CN102965542B - 一种含碳的超高强钛合金

Info

Publication number: CN102965542B
Application number: CN201210545343.7A
Authority: CN
Inventors: 葛鹏; 马朝利; 周伟; 李倩
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN102965542A

Abstract

本发明公开了一种含碳的超高强钛合金，由以下重量百分比的成分组成：Al 1.5%~3%，Mo 3.0%~5.0%，Cr 4%~6%，Fe 2.0%~3.5%，C0.08%~0.16%，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明含碳的超高强钛合金中Cr、Fe、C以铬铁合金和碳化铬粉的形式加入，该合金热塑性优良，固溶态可进行冷拉加工，固溶时效后室温抗拉强度可达到1650MPa，保持良好的塑性，与常见的亚稳定β钛合金相比，成本较低，冷、热加工性相当，时效响应更快，疲劳强度更高，易于生产，满足非航空领域弹簧应用对低成本超高强钛合金的需求。

Description

一种含碳的超高强钛合金

技术领域

本发明涉及一种多元强化的亚稳β钛合金，具体涉及一种含碳的超高强钛合金。

背景技术

钛合金具有密度低、耐腐蚀和剪切模量低等优点，是理想的弹簧用材料。β钛合金具有良好的冷加工性及高的时效硬化效应，是弹簧用钛合金的首选材料。目前，β钛合金弹簧主要用于飞机制造中，与钢弹簧相比，大约减重70％，节约空间50％。现有的弹簧用β合金如美国的Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-11.5Mo-4Sn-6Zr、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr等。我国目前尚未在飞机制造中使用钛合金弹簧，但已经用Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al、Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al等合金进行了钛合金弹簧的制备及研究工作。这些亚稳β钛合金一般用于1200MPa～1400MPa的强度水平，进一步提高其强度将会使这些合金的塑性明显恶化，而且其疲劳强度一般低于800MPa(R＝0.1，cycles=10⁷)。有两个缺点限制了现有亚稳定β在非航空领域的应用：一是含有大量的同晶型β稳定元素，成本一般较高；另一个缺点是时效响应缓慢，析出相不均匀，导致材料疲劳性能不高。美国TIMET公司开发了低成本的β钛合金Timetal LCB（Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al），该合金时效后抗拉强度可以达到1500MPa以上，并保持着航空弹簧用钛合金的优异性能。Timetal LCB钛合金制备的悬簧在德国大众汽车公司的Lupo FSI汽车上获得成功应用，但该合金仍然存在析出相不均匀导致材料疲劳性能不高的问题。因此针对汽车等新的民用需求，急需开发适于弹簧制备的低成本且具有高疲劳性能的新型β钛合金。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有良好加工性、时效响应快、疲劳性能高的含碳的超高强钛合金。该含碳的超高强钛合金适用汽车等非航空领域对超高强钛弹簧的需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含碳的超高强钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 1.5%~3%，Mo3.0%~5.0%，Cr 4%~6%，Fe 2.0%~3.5%，C 0.08%~0.16%，余量为Ti和不可避免的杂质，该超高强钛合金固溶时效后室温抗拉强度为1400MPa-1650MPa。

上述的一种含碳的超高强钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 3.0%，Mo 5.0%，Cr 6.0%，Fe 2.0%，C 0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种含碳的超高强钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 2.7%，Mo 4.0%，Cr 4.0%，Fe 3.0%，C 0.13%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种含碳的超高强钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 1.5%，Mo4.5%，Cr 5.5%，Fe 2.5%，C0.16%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种含碳的超高强钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 2.0%，Mo 3.0%，Cr 4.5%，Fe 3.5%，C 0.11%，余量为Ti和不可避免的杂质。

本发明的制备方法为钛合金的常规制备方法：根据需要选择铝钼合金、低碳铬铁、钼铁合金、碳化铬与海绵钛按设计成分混合压制电极，经真空自耗电弧重熔法得到合金铸锭，合金锭在液压锻造机或锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造，在精锻机或自由锻设备上进行轧制棒坯制备，然后进行棒丝材轧制或拉制，经多火次或多道次的冷轧后进行退火或强化热处理得到最终成品。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明含碳的超高强钛合金中Cr、Fe、C以铬铁合金和碳化铬粉的形式加入，该合金热塑性优良，固溶态可进行冷拉加工，固溶时效后抗拉强度可达到1500MPa以上，保持良好的塑性，与常见的亚稳定β钛合金相比，成本较低，冷、热加工性相当，时效响应更快，疲劳强度更高，易于生产，满足非航空领域弹簧应用对低成本超高强钛合金的需求。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

本发明含碳的超高强钛合金，所涉及的中间合金包括铝钼合金、铬铁合金、钼铁合金、金属铬、碳化铬、铝豆等，所使用的海绵钛为0级或1级。本发明含碳的低成本超高强钛合金的重量百分比组成为：Al 1.5%~3%，Mo 3.0%~4.5%，Cr 4%~6%，Fe 2.0%~3.5%，C 0.08%~0.16%，余量为Ti和不可避免的杂质。根据需要选择合适的中间合金，将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极，用常规真空自耗电弧炉经二次或三次熔炼铸成合金锭，合金锭在1050℃-1180℃温度下开坯锻造，中间过程锻造温度为900℃-1050℃，热轧及热拉温度控制在770℃-900℃，合金成品经750℃-850℃固溶和460℃-550℃时效处理后使用。

本发明钛合金固溶时效强化热处理后的室温拉伸性能为：σ_b:1400MPa-1650MPa，σ_0.2:1300-1580MPa，δ:7％~13％，疲劳强度800MPa-950MPa(R＝0.1，cycles=10⁷)。

实施例1

本实施例钛合金的名义成分为Ti-3Al-5Mo-6Cr-2Fe-0.08C，即按重量百分比计为Al:3.0%，Mo:5.0%，Cr:6.0%，Fe:2.0%，C:0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：Al-60Mo中间合金、FeCr69C0.25低碳铬铁、金属铬、碳化铬、0级海绵钛。

将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经二次熔炼铸成合金锭。铸锭中C的实测含量为0.08%-0.09%，合金锭在1150℃温度下开坯锻造成直径160mm棒坯，在900℃精锻成直径50mm圆棒，然后在860℃轧制成直径20mm圆棒。

本实施例合金成品棒材经830℃/30min（固溶处理）+500℃/360min（时效处理）固溶时效处理后的室温拉伸性能为：σ_b:1590MPa，σ_0.2:1480MPa，δ:9％；疲劳强度为：920MPa(R＝0.1，cycles=10⁷)

实施例2

本实施例钛合金的名义成分为Ti-2.7Al-4Mo-4Cr-3Fe-0.13C，即按重量百分比计为Al:2.7%，Mo:4.0%，Cr:4.0%，Fe:3.0%，C:0.13%，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：Al-60Mo中间合金、铬粒、FeCr55C0.25低碳铬铁、1级海绵钛。

将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经二次熔炼铸成合金铸锭，合金铸锭中C的实测含量为0.11%-0.12%，合金铸锭在1100℃温度下开坯锻造成150mm方棒坯，在950℃锻造成45mm方棒，然后在820℃轧制成直径15mm圆棒。

本实施例合金成品棒材经780℃/30min（固溶处理）+460℃/480min（时效处理）固溶时效处理后的室温拉伸性能为：σ_b:1650MPa，σ_0.2:1540MPa，δ:7％；疲劳强度为：950MPa(R＝0.1，cycles=10⁷)。

实施例3

本实施例钛合金的名义成分为Ti-1.5Al-4.5Mo-5.5Cr-2.5Fe-0.16C，即按重量百分比计为Al:1.5%，Mo:4.5%，Cr:5.5%，Fe:2.5%，C:0.16%，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：Al-60Mo中间合金、金属铬、Fe-60Mo中间合金、碳化铬、0级海绵钛。

将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经二次熔炼铸成合金铸锭，合金铸锭中C的实测含量为0.15%-0.17%，合金铸锭在1100℃温度下开坯锻造成直径160mm棒坯，在980℃精锻成直径50mm圆棒，然后在780℃轧制成直径12mm圆棒。

本实施例合金成品棒材经750℃/60min（固溶处理）+500℃/360min（时效处理）固溶时效处理后的室温拉伸性能为：σ_b：1530MPa，σ_0.2：1420MPa，δ：10％；疲劳强度为：900MPa(R＝0.1，cycles=10⁷)。

实施例4

本实施例钛合金的名义成分为Ti-2Al-3Mo-4.5Cr-3.5Fe-0.11C，即按重量百分比计为Al:2.0%，Mo:3.0%，Cr:4.5%，Fe:3.5%，C:0.11%，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：Al-60Mo中间合金、FeCr55C0.25低碳铬铁、碳化铬、0级海绵钛。

将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经二次熔炼铸成合金铸锭，合金铸锭中C的实测含量为0.14%-0.16%，合金铸锭在1050℃温度下开坯锻造成直径120mm圆棒坯，在1050℃锻造成45mm方棒，然后在900℃经两火次轧制成直径12mm圆棒。

本实施例合金成品棒材经800℃/30min（固溶处理）+550℃/240min（时效处理）固溶时效处理后的室温拉伸性能为：σ_b:1450MPa，σ_0.2:1340MPa，δ:12％；疲劳强度为：830MPa(R＝0.1，cycles=10⁷)。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种含碳的超高强钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al1.5％～3％，Mo4.0％～5.0％，Cr4％～5.5％，Fe2.5％～3.5％，C0.08％～0.16％，余量为Ti和不可避免的杂质，该超高强钛合金固溶时效后室温抗拉强度为1400MPa-1650MPa。

2.根据权利要求1所述的一种含碳的超高强钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al2.7％，Mo4.0％，Cr4.0％，Fe3.0％，C0.13％，余量为Ti和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种含碳的超高强钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al1.5％，Mo4.5％，Cr5.5％，Fe2.5％，C0.16％，余量为Ti和不可避免的杂质。