CN103614590B - 一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金 - Google Patents

一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，由以下质量百分比的成分组成：Al2.0%～3.5%，Nb12%～16%，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明钛铝铌合金在温度为77K条件下的力学性能满足：Rm=1300MPa～1400MPa，Rp0.2≥1200MPa，A50≥18%，并且该合金在温度为77K，循环次数N=105条件下的高周疲劳强度≥1200MPa，比传统的低温钛合金具有更加优异的强塑性匹配，满足高性能火箭、航天器及宇宙飞船中低温部件的相关要求。

Description

一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金
技术领域
本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金。
背景技术
钛合金部件在液压容器及导管系统中的低温条件下安全使用的关键是必须防止钛合金在温度下降时发生脆化，故多选用塑脆转变温度低的α和近α钛合金作为低温耐压工程材料。尽管α和近α钛合金冷成型及可焊性好，但由于其合金化程度低、微观组织形式单一，低温屈服强度和疲劳性能远低于α＋β钛合金，导致压力容器装载能力有限，而且安全系数较低。为了保障航天、航空、兵器、超导等领域中液氦温度耐压部件寿命安全服役的要求，使用的钛合金不但应具有高的低温强塑性匹配，还应当具有较高的室温强塑性，以利于加工和制造。
综合考虑以上需求，针对可在液氦温度(77K)长期服役的工况特点，日本、美国和前苏联等国家允许α+β型钛合金TC4ELI在低温下使用，但TC4合金成分必须控制为超低间隙级，因为O、C、N等间隙元素含量的增加会大大降低钛合金低温断裂韧性及塑性，导致合金低温性能对氧含量敏感。而现有美系低温钛合金TA7ELI合金尽管不同压力条件下在氢介质和氮介质的低周疲劳性能、蠕变性能、表面裂纹扩展及力学性能均满足使用要求，但由于添加了Sn元素，引发材料脆性增加，室温冷加工性能较差，无法采用常规冷加工方式制备出管材；同时TA7合金在77K低温下的高周疲劳性能较低，当循环次数N=105时，该合金疲劳强度不到1100MPa，若用于制造长期服役的低温耐压容器，降低了安全系数。
目前研究的钛铝铌合金多为低温超导材料，含Nb量40～50%，大量添加Nb元素的目的是为了改善材料物理性能，使其低温磁导率降低。γ-TiAl中间合金也被使用于77K低温，但该材料含铝量大于16%，依靠合金化的γ相来提高材料的低温强度，且室温塑性很低，热加工极易开裂。生物医药领域研究的Ti-6Al-7Nb合金中添加7%的Nb元素，其目的是降低材料的弹性模量，而加入6%的Al元素的目的是为了保证材料的室温强度，其低温使用性能差。
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的不足，提供一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金。该合金通过简单热处理后即可获得高的低温强塑性匹配；其在77K低温条件下的抗拉强度Rm为1300MPa～1400MPa，屈服强度Rp0.2不小于1200MPa，延伸率A50不小于18%；当循环次数N=105时，该合金在77K低温条件下的高周疲劳强度不小于1200MPa。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al2.0%～3.5%，Nb12%～16%，余量为Ti和不可避免的杂质；所述低温高强耐疲劳钛铝铌合金是指该合金在温度为77K条件下的力学性能满足：Rm=1300MPa～1400MPa，Rp0.2≥1150MPa，A50≥18%，并且该合金在温度为77K，循环次数N=105条件下的高周疲劳强度≥1200MPa。
上述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al2.5%，Nb15%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al2%，Nb16%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3%，Nb14%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3%，Nb12%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3.5%，Nb12.5%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3.5%，Nb13.5%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3.5%，Nb15%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al2%，Nb14.5%，余量为Ti和不可避免的杂质。
本发明低温高强耐疲劳钛铝铌合金的制备方法为钛合金的常规制备方法：首先根据需要选择合适的原料，按设计成分混合压制电极，再用常规真空自耗电弧炉经二次或三次熔炼得到合金铸锭，然后将合金铸锭扒皮并切去冒口和尾端后，在液压锻造机、锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造和多火次反复镦拔锻造，最后在热轧机、冷轧机等轧制设备上进行多道次轧制得到棒材或板材。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明不同于现有的高铌含量的超导合金和生物用Ti-6Al-7Nb合金，前者高Nb含量的作用在于提高合金的低温导电率，后者Nb元素的作用是降低合金的弹性模量，并用Nb元素替代对人体有害的V元素（Ti-6Al-4V合金）。该合金的元素配置以合金室温、77K力学性能和低温疲劳性能为重点，找出了较佳的各元素含量比例。
2、本发明添加12%～16%的β同晶型元素Nb，使得合金合金组织中含有适量的稳定β相，立方结构的β相在室温下滑移面多，易于发生变形，因此提高了合金的室温塑性；同时Nb元素使合金在低温下孪晶分数异常多，导致在低温下孪生切变异常活跃并发生“孪生诱发塑性”现象，提高了材料的低温塑性。
3、本发明添加2%～3.5%的Al元素，少量的Al元素不会形成金属间化合物，但可大幅提高合金强度，同时，获得的两相组织既不影响室温下材料的塑性，还可提高材料的低温强塑性和疲劳强度；并且不降低合金的加工工艺性能和焊接性能，综合性能优异。
4、本发明具有良好的综合性能，尤其是低温强塑性和疲劳性能优异，可在77K的低温条件下长期使用；同时该合金对于氧含量的敏感性低，有良好的可焊性，可采用真空电子束或氩弧焊方法对合金管材、板材进行焊接加工。所制备的合金材料具有良好的综合性能，
5、本发明通过简单热处理后即可获得高的低温强塑性匹配；其在298K室温条件下的抗拉强度Rm不小于700MPa，屈服强度Rp0.2不小于550MPa，延伸率A50不小于15%；在77K低温条件下的抗拉强度Rm为1300MPa～1400MPa，屈服强度Rp0.2不小于1200MPa，延伸率A50不小于18%；当循环次数N=105时，该合金在77K低温条件下的高周疲劳强度不小于1200MPa。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
本发明低温高强耐疲劳钛铝铌合金由以下质量百分比的成分组成：Al2.0%～3.5%，Nb12%～16%，余量为Ti和不可避免的杂质。该钛合金所涉及的原料包括钛铌合金、铝豆和海绵钛。具体制备过程中，首先根据需要选择合适的原料，按设计成分混合压制电极，再在常规真空自耗电弧炉中经二次或三次熔炼得到合金铸锭，然后将合金铸锭扒皮并切去冒口和尾端后，在液压锻造机、锻锤等自由锻造设备上进行多火次开坯锻造和拔长锻造，最终得到钛铝铌合金棒材。所述开坯锻造的加热温度为1150℃～1250℃，开坯锻造的火次变形量不小于60%，拔长锻造的加热温度为850℃～980℃，拔长锻造的火次变形量不大于70%。该钛铝铌合金棒材在温度为77K条件下的力学性能满足：Rm=1300MPa～1400MPa，Rp0.2≥1200MPa，A50≥18%，并且在温度为77K，循环次数N=105条件下的高周疲劳强度≥1200MPa，比传统的低温钛合金具有更加优异的强塑性匹配，满足高性能火箭、航天器及宇宙飞船中低温部件的相关要求。
实施例1
本实施例钛铝铌合金的名义成分为Ti-2.5Al-15Nb，即按重量百分比计为Al2.5%，Nb15%，余量为钛及不可避免的杂质。
本实施例钛铝铌合金的制备方法为：按名义成分Ti-2.5Al-15Nb配料，原材料采用Ti-50Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，然后在自由锻设备上于1200℃进行两火次开坯镦拔，火次变形量为65%，最后在自由锻设备上于950℃进行两火次拔长锻造，火次变形量为60%，最终得到规格为Ф115mm的钛铝铌合金棒材。
本实施例钛铝铌合金棒材经750℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的力学性能：Rm=735MPa，Rp0.2=655MPa，A50=19.5%；77K低温条件下的力学性能：Rm=1380MPa，Rp0.2=1250MPa，A50=20%；77K低温条件下的高周疲劳性能：循环次数N=105时，高周疲劳强度=1250MPa。
实施例2
本实施例钛铝铌合金的名义成分为Ti-2Al-16Nb，即按重量百分比计为Al2%，Nb16%，余量为钛及不可避免的杂质。
本实施例钛铝铌合金的制备方法为：按名义成分Ti-2Al-16Nb配料，原材料采用Ti-50Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，然后在自由锻设备上于1250℃进行两火次开坯镦拔，火次变形量为60%，最后在自由锻设备上于980℃进行两火次拔长锻造，火次变形量为70%，最终得到规格为Ф105mm的钛铝铌合金棒材。
本实施例钛铝铌合金棒材经750℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的力学性能：Rm=710MPa，Rp0.2=625MPa，A50=18%；77K低温条件下的力学性能：Rm=1370MPa，Rp0.2=1230MPa，A50=20%；77K低温条件下的高周疲劳性能：循环次数N=105时，高周疲劳强度=1220MPa。
实施例3
本实施例钛铝铌合金的名义成分为Ti-3Al-14Nb，即按重量百分比计为Al3%，Nb14%，余量为钛及不可避免的杂质。
本实施例钛铝铌合金的制备方法为：按名义成分Ti-3Al-14Nb配料，原材料采用Ti-50Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，然后在自由锻设备上于1150℃进行两火次开坯镦拔，火次变形量为63%，最后在自由锻设备上于900℃进行两火次拔长锻造，火次变形量为68%，最终得到规格为Ф100mm的钛铝铌合金棒材。
本实施例钛铝铌合金棒材经750℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的力学性能：Rm=750MPa，Rp0.2=695MPa，A50=16.5%；77K低温条件下的力学性能：Rm=1380MPa，Rp0.2=1250MPa，A50=18%；77K低温条件下的高周疲劳性能：循环次数N=105时，高周疲劳强度=1200MPa。
实施例4
本实施例钛铝铌合金的名义成分为Ti-3Al-12Nb，即按重量百分比计为Al3%，Nb12%，余量为钛及不可避免的杂质。
本实施例钛铝铌合金的制备方法为：按名义成分Ti-3Al-12Nb配料，原材料采用Ti-45Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，然后在自由锻设备上于1150℃进行两火次开坯镦拔，火次变形量为60%，最后在自由锻设备上于850℃进行两火次拔长锻造，火次变形量为65%，最终得到规格为Ф100mm的钛铝铌合金棒材。
本实施例钛铝铌合金棒材经750℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的力学性能：Rm=775MPa，Rp0.2=635MPa，A50=16.5%；77K低温条件下的力学性能：Rm=1300MPa，Rp0.2=1245MPa，A50=20%；77K低温条件下的高周疲劳性能：循环次数N=105时，高周疲劳强度=1250MPa。
实施例5
本实施例钛铝铌合金的名义成分为Ti-3.5Al-12.5Nb，即按重量百分比计为Al3.5%，Nb12.5%，余量为钛及不可避免的杂质。
本实施例钛铝铌合金的制备方法为：按名义成分Ti-3.5Al-12.5Nb配料，原材料采用Ti-50Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，然后在自由锻设备上于1150℃进行三火次开坯镦拔，火次变形量为68%，最后在自由锻设备上于900℃进行三火次拔长锻造，火次变形量为68%，最终得到规格为Ф95mm的钛铝铌合金棒材。
本实施例钛铝铌合金棒材经750℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的力学性能：Rm=780MPa，Rp0.2=655MPa，A50=17%；77K低温条件下的力学性能：Rm=1310MPa，Rp0.2=1210MPa，A50=22%；77K低温条件下的高周疲劳性能：循环次数N=105时，高周疲劳强度=1260MPa。
实施例6
本实施例钛铝铌合金的名义成分为Ti-3.5Al-13.5Nb，即按重量百分比计为Al3.5%，Nb13.5%，余量为钛及不可避免的杂质。
本实施例钛铝铌合金的制备方法为：按名义成分Ti-3.5Al-13.5Nb配料，原材料采用Ti-50Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，然后在自由锻设备上于1200℃进行三火次开坯镦拔，火次变形量为60%，最后在自由锻设备上于950℃进行两火次拔长锻造，火次变形量为70%，最终得到规格为Ф115mm的钛铝铌合金棒材。
本实施例钛铝铌合金棒材经750℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的力学性能：Rm=755MPa，Rp0.2=695MPa，A50=17%；77K低温条件下的力学性能：Rm=1395MPa，Rp0.2=1280MPa，A50=18%；77K低温条件下的高周疲劳性能：循环次数N=105时，高周疲劳强度=1300MPa。
实施例7
本实施例钛铝铌合金的名义成分为Ti-3.5Al-15Nb，即按重量百分比计为Al3.5%，Nb15%，余量为钛及不可避免的杂质。
本实施例钛铝铌合金的制备方法为：按名义成分Ti-3.5Al-15Nb配料，原材料采用Ti-50Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，然后在自由锻设备上于1180℃进行两火次开坯镦拔，火次变形量为66%，最后在自由锻设备上于920℃进行三火次拔长锻造，火次变形量为60%，最终得到规格为Ф90mm的钛铝铌合金棒材。
本实施例钛铝铌合金棒材经750℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的力学性能：Rm=790MPa，Rp0.2=690MPa，A50=16%；77K低温条件下的力学性能：Rm=1365MPa，Rp0.2=1255MPa，A50=20%；77K低温条件下的高周疲劳性能：循环次数N=105时，高周疲劳强度=1230MPa。
实施例8
本实施例钛铝铌合金的名义成分为Ti-2Al-14.5Nb，即按重量百分比计为Al2%，Nb14.5%，余量为钛及不可避免的杂质。
本实施例钛铝铌合金的制备方法为：按名义成分Ti-2Al-14.5Nb配料，原材料采用Ti-55Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，然后在自由锻设备上于1200℃进行两火次开坯镦拔，火次变形量为60%，最后在自由锻设备上于950℃进行两火次拔长锻造，火次变形量为70%，最终得到规格为Ф100mm的钛铝铌合金棒材。
本实施例钛铝铌合金棒材经750℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的力学性能：Rm=730MPa，Rp0.2=625MPa，A50=20%；77K低温条件下的力学性能：Rm=1310MPa，Rp0.2=1200MPa，A50=19.5%；77K低温条件下的高周疲劳性能：循环次数N=105时，高周疲劳强度=1280MPa。
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 (9)

1.一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al2.0%～3.5%，Nb12%～16%，余量为Ti和不可避免的杂质；所述低温高强耐疲劳钛铝铌合金是指该合金在温度为77K条件下的力学性能满足：Rm=1300MPa～1400MPa，Rp0.2≥1200MPa，A50≥18%，并且该合金在温度为77K，循环次数N=105条件下的高周疲劳强度≥1200MPa。
2.根据权利要求1所述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al2.5%，Nb15%，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al2%，Nb16%，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3%，Nb14%，余量为Ti和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3%，Nb12%，余量为Ti和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3.5%，Nb12.5%，余量为Ti和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3.5%，Nb13.5%，余量为Ti和不可避免的杂质。
8.根据权利要求1所述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al3.5%，Nb15%，余量为Ti和不可避免的杂质。
9.根据权利要求1所述的一种低温高强耐疲劳钛铝铌合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al2%，Nb14.5%，余量为Ti和不可避免的杂质。
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