CN103898359B

CN103898359B - 一种钛合金及其加工方法

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Publication number: CN103898359B
Application number: CN201410153548.XA
Authority: CN
Inventors: 李献军; 羊玉兰; 邹武装; 王丽瑛; 徐哲; 冯军宁; 杨蓉; 乔璐; 代春; 杨慧丽
Original assignee: BAOJU TITANIUM INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: BAOJU TITANIUM INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-04-17
Also published as: CN103898359A

Abstract

一种钛合金及其制备方法，涉及一种高冲击性能的钛合金，特别是用于石油、天然气等开采设备的高冲击性能的钛合金及其加工方法。其特征在于其合金的重量百分比组成为：Al：5.5-6.8%，V为3.5-4.5%，Zr：0.3%-3.0%，Mo：0.3%-2.0%，Nb：0%-1.0%，余量为Ti和不可避免的杂质<i>。</i>本发明的一种钛合金，其加工材的0℃冲击性能及室温拉伸等性能均可满足P110钢级钢材各项性能指标要求，可替代P110钢级钢材应用于石油、天然气等行业。与已有的各类钛合金相比，在冲击性能提高的基础上，兼顾了合金的室温拉伸性能、耐H₂S、SO₂、CO₂及海水腐蚀性能。能有效满足石油天然气行业开采设备用材需求。

Description

一种钛合金及其加工方法

技术领域

一种钛合金及其制备方法，涉及一种高冲击性能的钛合金，特别是用于石油、天然气等开采设备的高冲击性能的钛合金及其加工方法。

背景技术

目前，国内石油、天然气开采设备所用加工材大部分为钢材或进口钛合金材，国外该用途加工材早期亦为钢材，但由于使用环境气氛恶劣，存在H₂S、SO₂、CO₂等腐蚀性介质，随着陆地、海上等的大量开采以及开采深度的逐步增加，井下气氛日益恶化，钢材的耐蚀性能已很难满足使用要求。

由于钛合金具有优良的耐蚀性，国外美、俄等国采用高性能钛合金材替代钢材，正在逐步实现开采设备的技术升级，使设备使用寿命大大延长。采用钛合金材替代钢材除应考虑耐蚀因素外，其力学性能亦需等同达到钢材较高的性能指标要求。而目前国内所生产的与该类P110钢级钢材强度级别相当的钛合金，其冲击性能尚无法达到P110钢级钢材指标要求。国内该行业对高冲击性能钛合金材需求迫切，但由于存在技术壁垒，关键技术尚未突破，目前尚无厂家可以生产。

高冲击性能钛合金材主要性能指标应相应满足美国石油学会标准—APISpec5CT规范表1中对于P110钢级钢材的指标要求，同时应具有较好的耐蚀性。

表1力学性能

众所周知，钛合金的耐蚀性能较钢有很强的优势，要实现以钛替钢，必须满足上表性能指标要求。与表1强度水平相当的各牌号钛合金，其冲击性能与表1指标相比均有一定差距。以目前应用最为成熟、广泛的钛合金牌号—Ti-6Al-4V为例，其力学性能与上表所列钢材的强度相当，但冲击性能与钢材有较大差距，表2列举了国军标（GJB493航空发动机压气机叶片用TC4钛合金棒材、GJB2744航空用钛及钛合金自由锻件和模锻件规范、GJB1169航天用钛合金环材规范）中对TC4加工材的强度及室温冲击性能指标要求。

表2Ti-6Al-4V钛合金加工材力学性能指标

对比表1及表2可见，Ti-6Al-4V牌号钛合金与P110钢级力学性能相当，但纵向冲击性能指标较钢材明显偏低，从以往加工材实测数据看，与表1中冲击性能指标亦存在一定差距。因此迫切需要研发出新型高性能钛合金材料和专有工艺技术，使强度、塑性及冲击韧性合理匹配，完全满足相应钢管指标要求。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种强度与Ti-6Al-4V相当，而冲击性能更优的钛合金，其室温拉伸性能及0℃冲击性能均达到P110钢级指标要求的钛合金及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种钛合金，其特征在于其合金的重量百分比组成为Al：5.5%-6.8%，V：3.5%-4.5%，Zr：0.3%-3.0%，Mo：0.3%-2.0%，Nb：0%-1.0%，余量为Ti和不可避免的杂质。

本发明的一种钛合金可以采用真空自耗电弧熔炼方法制备。其合金中Mo与Nb均是同晶型β稳定元素，在钛合金中添加一定数量，可提高拉伸强度，同时可以保证一定量的β相，对提高合金的强韧性有好处。其中Mo可提高钛合金的热盐应力腐蚀抗力，Mo和Nb均可提高钛合金在还原介质中的耐蚀性。Zr为中性元素，对于提高合金强度、稳定α相及β相，抑制ω相的产生有一定作用，与Ti-6Al-4V合金相比，由于增加了上述三个元素，通过大量试验，得出了较为合理的合金成分控制范围，明显提高了合金冲击性能。

本发明的一种钛合金的加工方法，其特征在于其加工过程的步骤依次包括：

（1）将合金锭在高于其相变点100~200℃温度加热，进行开坯锻造，变形量控制在60%~80%；

（2）在低于相变点30~50℃的温度加热，进行中间锻造，变形量控制在60%~80%；

（3）在相变点温度加热，进行成品锻造或挤压，变形量控制在60%~90%。

本发明的一种钛合金的加工方法，其特征在于其加工过程的步骤还包括成品的热处理，其热处理制度为：真空退火650~700℃保温2h炉冷或电炉退火700~750℃保温2h空冷。

本发明的一种钛合金，是Ti-6Al-4V钛合金的改型，其钛合金加工材的0℃冲击性能及室温拉伸等性能均可满足P110钢级钢材各项性能指标（R_m≥862MPa、R_p0.2758~965MPa、A₅₀≥12%、0℃冲击功A_KV8≥65J）要求，可替代P110钢级钢材应用于石油、天然气等行业。与已有的各类钛合金相比，在冲击性能提高的基础上，兼顾了合金的室温拉伸性能、耐H₂S、SO₂、CO₂及海水腐蚀性能。能有效满足石油天然气行业开采设备用材需求。

具体实施方式

一种钛合金，其合金的重量百分比组成为Al：5.5%-6.8%，V为3.5%-4.5%，Zr：0.3%-3.0%，Mo：0.3%-2.0%，Nb：0%-1.0%，余量为Ti和不可避免的杂质。其加工过程的步骤依次包括：（1）将合金锭在高于其相变点100~200℃温度加热，进行开坯锻造，变形量控制在60%~80%；在低于相变点30~50℃的温度加热，进行中间锻造，变形量控制在60~80%；（4）在相变点温度加热，进行成品锻造或挤压，变形量控制在60~90%；成品的热处理制度为：真空退火650~700℃保温2h炉冷或电炉退火700~750℃保温2h空冷。

现结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

按重量百分比配料，分别熔炼Ti-6Al-4V及本发明的钛合金铸锭各一个，其中Ti-6Al-4V目标成分为Al：6.0%，V：4.0%，Ti余量；本发明的钛合金铸锭目标成分为Al：6.0%，V：4.0%，Zr:0.35%，Mo：0.35%，Ti余量。

经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭，铸锭在相变点以上150℃加热锻造，变形量为72%，在相变点以下40℃加热，锻造变形量为78%，而后在相变点温度加热，锻造变形量为60%，锻造为125mm棒材。

经700℃保温2h空冷电炉退火后测试性能，数据见表3。

表3室温拉伸性能及0℃冲击性能

实施例2

按重量百分比配料，分别熔炼Ti-6Al-4V及本发明的钛合金铸锭各一个，其中Ti-6Al-4V目标成分为Al：6.5%，V：4.4%，Ti余量；本发明的钛合金目标成分为Al：6.5%，V：4.4%，Zr:0.35%，Mo：0.35%，Nb：0.35%，Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭，铸锭在相变点以上200℃加热锻造，变形量为75%，在相变点以下40℃加热，锻造变形量为70%，锻为260mm棒坯，经钻镗孔及外表面机加，制备为挤压用锭坯，而后在相变点温度加热挤压，挤压为10822mm管材，挤压变形量为90%。

经650℃保温2h炉冷真空退火后测试性能，数据见表4。

实施例3

按重量百分比配料，熔炼本发明的钛合金铸锭一个，目标成分为Al：5.8%，V：3.8%，Zr:1.5%，Mo1.0%，Nb:0.6%，Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭，铸锭在相变点以上100℃加热锻造，变形量为62%，在相变点以下50℃加热，锻造变形量为67%，而后在相变点温度加热，锻造变形量为69%，锻造为125mm棒材。

经700℃保温2h空冷电炉退火后测试性能，数据见表5。

表5

实施例4

按重量百分比配料，熔炼本发明的钛合金铸锭一个，目标成分为Al：5.6%，V：3.6%，Zr:2.9%，Mo1.8%，Nb:1.0%，Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭，铸锭在相变点以上120℃加热锻造，变形量为70%，在相变点以下30℃加热，锻造变形量为75%，而后在相变点温度加热，锻造变形量为75%，锻造为125mm棒材。

经750℃保温2h空冷电炉退火后测试性能，数据见表6。

表6

实施例5

按重量百分比配料，熔炼本发明的钛合金铸锭一个，目标成分为Al：6.8%，V：3.5%，Zr:0.3%，Mo2.0%，Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭，铸锭在相变点以上200℃加热锻造，变形量为80%，在相变点以下50℃加热，锻造变形量为60%，而后在相变点温度加热，挤压为10822mm管材，挤压变形量为90%。

经680℃保温2h炉冷真空退火后测试性能，数据见表7。

表7

实施例6

按重量百分比配料，熔炼本发明的钛合金铸锭一个，目标成分为Al：5.5%，V：4.5%，Zr:3.0%，Mo0.3%，Nb:0.8%，Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭，铸锭在相变点以上150℃加热锻造，变形量为75%，在相变点以下40℃加热，锻造变形量为80%，而后在相变点温度加热，锻造变形量为60%，锻造为125mm棒材。

经700℃保温2h炉冷真空退火后测试性能，数据见表8。

表8

Claims

1.一种钛合金，其特征在于其合金的重量百分比组成为Al：5.5%-6.8%，V为3.5%-4.5%，Zr：0.3%-3.0%，Mo：0.3%-2.0%，Nb：0%-1.0%，余量为Ti和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金的加工方法，其特征在于其加工过程的步骤依次包括：

（2）在低于相变点30~50℃温度加热，进行中间锻造，变形量控制在60%~80%；

3.根据权利要求2所述的一种钛合金的加工方法，其特征在于其加工过程的步骤还包括成品的热处理，其热处理制度为：真空退火650~700℃保温2h炉冷或电炉退火700~750℃保温2h空冷。