CN103409659A - 一种高温高弹性模量钛合金 - Google Patents

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李四清
黄旭
李臻熙
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Abstract

本发明是一种高温高弹性模量钛合金，该合金的化学成分及重量百分比为：Al5.0%～8.5%，Zr1.5%～5%，Mo1.5%～5.0%，Si0.1%～0.6%，B0.1%～1.5%，余量为Ti。本发明的高温高模量钛合金既具有高弹性模量E≥128GPa和良好塑性，又具可达600℃的使用温度，本发明钛合金可被广泛用于航空、航天、汽车等工业领域。

Description

一种高温高弹性模量钛合金
技术领域
本发明是一种高温高弹性模量钛合金，属于材料科学技术领域。
背景技术
高温高弹性模量钛合金由于其优良特性而成为空间飞行器的理想结构材料。弹性模量本质上是表征原子间结合力大小的物理量。它主要取决于金属的本性，与晶体类型、原子间距有密切关系。一般来讲，对于一种合金材料，只有经合金化后能形成显著性能差异的第二相时，弹性模量才会有较明显的变化。
α稳定元素和中性元素可提高钛合金的使用温度和弹性模量，如Al、Zr元素含量增加可以提高使用温度和弹性模量。β稳定元素会降低使用温度和弹性模量，如Mo，V等β稳定元素。与钛合金形成金属间化合物的元素也可以提高钛合金的弹性模量，与钛合金形成金属间化合物的元素主要有C、B、Si、Fe、Cu、稀土和其它元素。为了保证强化效应，元素应该是在熔炼时具有相当高的固溶度，在固态时具有相当低的固溶度、低扩散系数，并能够形成相当稳定的化合物，因此与钛合金形成金属间化合物的比较理想元素为C、B、Si和稀土。由于B元素在钛合金中主要以TiB相的形式存在，而TiB相的弹性模量高达550GPa，因此其存在于钛合金中能显著提高钛合金的弹性模量。TiB相对于钛合金来说是一种非常理想的增强剂，它能够为钛合金提供很高的刚度、强度和热力学稳定性，通过改变在基体合金中所加入的TiB含量便能够控制所得合金的弹性模量。使合金的弹性模量和强度优于工业化高温钛合金，如TC11钛合金，其成分为：Al6.5%，Zr1.5%，Mo3.5%，Si0.3%，使用温度为500℃，弹性模量为118GPa，室温拉伸强度1030MPa。高的强度和弹性模量，意味着这种合金用作零部件时要比使用普通钛合金的重量大为减轻，优越的抗磨性使得它可以不采取花费高昂的表面保护处理。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种高温高弹性模量钛合金，其目的是使该合金既有良好的塑性和高弹性模量的同时达到600℃的使用温度。塑性大于8%，弹性模量大于129GPa。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种高温高弹性模量钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al5.0%～8.5%，Zr1.5%～5%，Mo1.5%～5.0%，Si0.1%～0.6%，B0.1%～1.5%，余量为Ti。
本发明技术方案与目前常用的一些高温高模量钛合金相比，提高了α稳定元素Al的含量，去除了价格昂贵的V元素，降低了熔点较高的β稳定元素Mo的含量，增加了中性元素Zr和弱β稳定元素Si。通过这种合金元素之间的匹配，提高合金的弹性模量和使用温度及塑性，可以称为一种全新的Ti-Al-Zr-Mo-Si-B合金体系，该种合金可被广泛用于航空、航天、汽车等工业领域。
本发明所述合金的冶炼原材料可以选用纯Al、海绵锆、Al-Mo中间合金或Ti-Mo中间合金、Al-Si中间合金、纯B或TiB2和海绵钛。按照上述成分范围的要求配制合金原料，混料后压制成电极，在真空自耗电弧炉中熔炼两次或三次获得合金铸锭。铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、中间多火次变形、最终锻造或轧制成棒材、板材、锻件，再经过热处理将这些合金半成品制成可以用于制造工程零部件的毛坯。开坯锻造加热温度为1150℃～1200℃，反复墩拔的加热温度为合金β转变温度以下30℃～50℃，即Tβ-30℃～50℃；最终锻造或轧制的加热温度为Tβ-30℃～50℃或Tβ+20℃～40℃。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地说明：
表1本发明所述钛合金的化学成分及重量百分比的实施例列表
序号 Al Zr Mo Si B Ti
1 6.8 2.5 1.5 0.25 1.5 余量
2 6.8 3.5 1.5 0.35 1.3 余量
3 7.5 2.5 1.75 0.30 0.75 余量
4 7.5 2.5 1.75 0.30 1.0 余量
5 8.5 2.0 1.5 0.25 0.7 余量
6 8.5 3.0 1.5 0.35 0.5 余量
原材料使用Al-55%Mo中间合金、Al-12%Si中间合金、海绵锆、TiB2和海绵钛。按表1中化学成分的重量百分比混料后压制成电极，用两次真空自耗电弧熔炼制成54kg合金铸锭，第一次熔炼电流为4500A，坩埚直径为
Figure BDA00003609000700031
第二次熔炼电流为6000A，坩埚直径为220mm。
铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，在1200℃开坯锻造，在Tβ-30℃～50℃进行多火次墩拔，最终在Tβ-50℃和Tβ+30℃轧制成
Figure BDA00003609000700032
和
Figure BDA00003609000700033
的棒材。
Figure BDA00003609000700034
棒材经Tβ+20℃/2h/AC+550℃/6h/AC热处理后获得的力学性能实测值见表2。
表2高温高模量钛合金的拉伸性能
如果采用三次真空自耗电弧熔炼制成650kg合金铸锭，第一次熔炼电流为5500A，坩埚直径为
Figure BDA00003609000700036
第二次熔炼电流为7500A，坩埚直径为
Figure BDA00003609000700037
第三次熔炼电流为9500A，坩埚直径为
Figure BDA00003609000700038
铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，在1200℃开坯锻造，在Tβ-30℃～50℃进行多火次拔长，最终在Tβ-50℃轧制成
Figure BDA00003609000700039
和
Figure BDA000036090007000310
的棒材。
Figure BDA000036090007000311
棒材经Tβ+20℃/2h/AC+880℃/1h/AC+630℃/6h/AC热处理后获得的力学性能实测值见表3。
表3高温高模量钛合金的拉伸和疲劳性能
测试温度， E，GPa Rm，MPa Rp0.2，MPa A，% Z，% 旋转弯曲 轴向加载
℃ σD，MPa σD，MPa*
室温 129 1195 1082 9.4 17.6 494 490
600 / 746 615 14.1 42.0 377.5 /
*：R=-1
该合金具有非常良好的热加工工艺性能和力学性能，尤其是弹性模量和室温、600℃拉伸强度。其室温弹性模量可达129GPa以上，600℃强度可达746MPa以上，比目前工业化TC11钛合金相比，该合金的弹性模量高13GPa左右、600℃拉伸强度高100MPa以上。

Claims (7)

1.一种高温高弹性模量钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al5.0%～8.5%，Zr1.5%～5%，Mo1.5%～5.0%，Si0.1%～0.6%，B0.1%～1.5%，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的高温高弹性模量钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al6.8%，Zr2.5%，Mo1.5%，Si0.25%，B1.5%，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的高温高弹性模量钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al6.8%，Zr3.5%，Mo1.5%，Si0.35%，B1.3%，余量为Ti。
4.根据权利要求1所述的高温高弹性模量钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al7.5%，Zr2.5%，Mo1.75%，Si0.30%，B0.75%，余量为Ti。
5.根据权利要求1所述的高温高弹性模量钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al7.5%，Zr2.5%，Mo1.75%，Si0.30%，B1.0%，余量为Ti。
6.根据权利要求1所述的高温高弹性模量钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al8.5%，Zr2.0%，Mo1.5%，Si0.25%，B0.7%，余量为Ti。
7.根据权利要求1所述的高温高弹性模量钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al8.5%，Zr3.0%，Mo1.5%，Si0.35%，B0.5%，余量为Ti。
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