CN104073684A - 含Cr和Mn元素的钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含Cr和Mn元素的钛合金，主要元素组分为5.0~7.0wt%铝、2.0~4.0wt%铬、0.5~1.5wt%锰、0~0.08wt%氧、0~0.01wt%碳、0~0.01wt%氮和0~0.001wt%氢，余量为钛，钛合金为α型组织合金。本发明还公开了一种钛合金制备方法，首先将海绵钛、含铝金属、纯铬、纯锰进行配料，将配料进行反复熔炼，得到含钛合金熔体，完成熔炼后，经凝固制成钛合金铸锭，再进行压力加工成型，制成钛合金坯材，再经过退火处理后，最终得到钛合金型材产品。本发明制备的α型钛合金力学性能好，特别是比强度高，合金化采用的金属材料成本较低，具有很好的应用前景。

Description

含Cr和Mn元素的钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金及其制备工艺，特别是涉及一种α型钛合金及其制备工艺，应用于轻量化、高比强度、耐高温和耐腐蚀特种金属材料技术领域。 

背景技术

钛作为一种金属材料，虽然比铜、铁、铝出现的晚些，但其具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁以及良好的生物相容性等优异的综合性能。此外，钛在自然界分布很广，钛在地壳中的丰度为8.6 g/kg，在所有元素中排第九位，在金属元素中仅次于铝、铁和镁，居第四位，比常见的铜、铅、锌金属储量的总和还多，可以说是资源丰富，开发利用前景广阔。 

钛合金按退火后的组织特点可以分为α、(α＋β)和β型钛合金三大类，其中，α型钛合金密度小，可热处理强化，有良好的热强性和热稳定性以及优异的室温、超低温和高温特性，同时焊接性能好，因此而得到了广泛的应用。 

国内钛合金研发方面，一直重视新型钛合金的研制，之前重点是仿制，目前以创新研制为主。经过长期实践，将强度和韧性一同考虑在内的损伤容限设计成为钛及钛合金材料应用时备受关注的问题。制备出强度更高、韧性更好的钛合金材料是不断追求的目标。在诸多改善和提高钛合金强韧化的技术手段中合金化是最根本的手段，也是开发新型钛合金的重要方法。然而目前α钛合金的合金化元素的选择却一直局限于少数几种元素，如Sn、Mo、Zr、V、等，对于新型合金元素的尝试较少，现有的α钛合金比强度和耐腐蚀性还不够理想，现有的α钛合金大部分标号合金产品制备成本较高，因此不断尝试不同种类的合金元素，进而研究其对钛合金的组织和性能的影响规律，是新型α钛合金研制方面需要着重解决的问题。 

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种含Cr和Mn元素的钛合金及其制备方法，尤其是本发明含Cr和Mn元素的α型钛合金力学性能好，特别是比强度高，合金化采用的金属材料成本较低，产业化价值显著，具有很好的应用前景。 

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案： 

一种含Cr和Mn元素的钛合金，按照合金元素组分质量百分比，钛合金的主要元素组分为5.0~7.0wt%的铝、2.0~4.0wt%的铬、0.5~1.5wt%的锰、0~0.08wt%的氧、0~0.01wt%的碳、0~0.01wt%的氮和0~0.001wt%的氢，余量为钛，钛合金为具有α型退火组织的合金。

本发明含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，首先将海绵钛、含铝金属、纯铬、纯锰四种原料配料形成混合原料，然后将混合原料进行反复熔炼，得到含钛合金熔体，完成熔炼后，钛合金熔体经凝固制成钛合金铸锭，再对钛合金铸锭进行压力加工成型，制成钛合金坯材，再将钛合金坯材经过退火处理后，最终得到按照合金元素组分质量含量的包含5.0~7.0wt%的铝、2.0~4.0wt%的铬、0.5~1.5wt%的锰、0~0.08wt%的氧、0~0.01wt%的碳、0~0.01wt%的氮和0~0.001wt%的氢的钛合金型材产品。 

作为上述钛合金的制备方法的一种优选的技术方案，采用纯铝作为含铝金属，将混合原料进行保温预处理，然后将混合原料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼至少2次，再经凝固制成钛合金铸锭，对钛合金铸锭进行轧制，制成厚度为6~7mm的钛合金板坯，再将钛合金板坯经过退火处理后，最终得到钛合金板材产品。进一步优选将混合原料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼至少4次。再进一步优选将混合原料进行保温预处理时，控制保温温度为150℃，控制保温时间为12小时；对钛合金铸锭进行轧制时，将钛合金铸锭加热到770℃，并将钛合金铸锭在横列式轧机上轧制成钛合金坯材。 

作为上述钛合金的制备方法的另一种优选的技术方案，采用钛铝中间合金作为含铝金属，将混合原料制成真空自耗电极，通电后，依靠电弧的热量将电极熔化，再经凝固制成圆形的钛合金铸锭，对钛合金铸锭进行锻造，制成钛合金棒坯，再将钛合金棒坯进行轧制得到钛合金棒材，然后将钛合金棒材经过退火处理后，最终得到钛合金棒材产品。在凝固制成圆形的钛合金铸锭后，优选再将钛合金铸锭加热到1050℃开坯锻造成φ45mm的轧制钛合金棒坯，然后将钛合金棒坯加热到750℃，再在横列式轧机上轧制成φ20mm的钛合金棒材。在制备电极时，优选采用挤压法将混合原料压制成电极块，并将电极块进行连接形成一体作为真空自耗电极。进一步优选在真空-充氩箱内用电弧焊将电极块焊接在一起制成真空自耗电极。 

作为上述技术方案的改进，在制成钛合金坯材后，再对钛合金坯材进行真空退火的热处理，控制退火温度为750℃，控制保温时间为1.5h，冷却方式采用空冷，最终制成具有α型退火组织的钛合金型材产品。 

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 

1. 本发明含Cr和Mn元素的钛合金，与现有的添加Sn、Mo、Zr或V元素的钛合金相比，具有更高的抗拉强度、屈服强度，比强度高、综合力学性能好，能适用于更加恶劣的环境，高温稳定性好；

2. 本发明含Cr和Mn元素的钛合金的制备工艺操作简便，易于控制，成产成本低。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下： 

实施例一：

在本实施例中，将市售的海绵钛、纯铝、纯铬、纯锰，按表1的成分配比进行配料，在普通的箱式电阻炉中预处理，控制预热保温温度为150℃，控制预热保温时间为12小时，然后再置于分瓣式水冷铜坩埚中反复熔炼4次炼制成铸锭，所得铸锭加热到770℃，在横列式轧机上轧制成厚度为6mm的板材。轧制得到的板材按表2的热处理制度进行热处理，热处理方式采用真空退火的热处理工艺，退火温度为750℃，保温时间为1.5h，冷却方式为空冷，热处理后，取样并依照国标GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，其力学性能见表2。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，将市售的海绵钛、钛铝中间合金、纯铬、纯锰，按表3的成分配比进行配料，采用挤压法压制成电极块，然后在真空-充氩箱内用电弧焊将电极块焊接在一起作为真空自耗电极，通电后，依靠电弧的热量将电极熔化，得到圆形铸锭，铸锭加热到1050℃开坯锻造成φ45mm的轧制棒坯，棒坯加热到750℃，在横列式轧机上轧制成φ20mm的棒材。轧制后的棒材按表4的热处理制度进行热处理，热处理方式采用真空退火的热处理工艺，退火温度为750℃，保温时间为1.5h，冷却方式为空冷，热处理后，取样并依照国标GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，其力学性能见表4。

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上面结合实施例对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明含Cr和Mn元素的钛合金及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种含Cr和Mn元素的钛合金，其特征在于：按照合金元素组分质量百分比，钛合金的主要元素组分为5.0~7.0wt%的铝、2.0~4.0wt%的铬、0.5~1.5wt%的锰、0~0.08wt%的氧、0~0.01wt%的碳、0~0.01wt%的氮和0~0.001wt%的氢，余量为钛，钛合金为具有α型退火组织的合金。

2.一种权利要求1所述含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，其特征在于：首先将海绵钛、含铝金属、纯铬、纯锰四种原料配料形成混合原料，然后将混合原料进行反复熔炼，得到含钛合金熔体，完成熔炼后，钛合金熔体经凝固制成钛合金铸锭，再对钛合金铸锭进行压力加工成型，制成钛合金坯材，再将钛合金坯材经过退火处理后，最终得到按照合金元素组分质量含量的包含5.0~7.0wt%的铝、2.0~4.0wt%的铬、0.5~1.5wt%的锰、0~0.08wt%的氧、0~0.01wt%的碳、0~0.01wt%的氮和0~0.001wt%的氢的钛合金型材产品。

3.根据权利要求2所述含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，其特征在于：采用纯铝作为含铝金属，将混合原料进行保温预处理，然后将混合原料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼至少2次，再经凝固制成钛合金铸锭，对钛合金铸锭进行轧制，制成厚度为6~7mm的钛合金板坯，再将钛合金板坯经过退火处理后，最终得到钛合金板材产品。

4.根据权利要求3所述含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，其特征在于：将混合原料置于分瓣式水冷铜坩埚中，反复熔炼至少4次。

5.根据权利要求3所述含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，其特征在于：将混合原料进行保温预处理时，控制保温温度为150℃，控制保温时间为12小时；对钛合金铸锭进行轧制时，将钛合金铸锭加热到770℃，并将钛合金铸锭在横列式轧机上轧制成钛合金坯材。

6.根据权利要求2所述含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，其特征在于：采用钛铝中间合金作为含铝金属，将混合原料制成真空自耗电极，通电后，依靠电弧的热量将电极熔化，再经凝固制成圆形的钛合金铸锭，对钛合金铸锭进行锻造，制成钛合金棒坯，再将钛合金棒坯进行轧制得到钛合金棒材，然后将钛合金棒材经过退火处理后，最终得到钛合金棒材产品。

7.根据权利要求6所述含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，其特征在于：凝固制成圆形的钛合金铸锭后，再将钛合金铸锭加热到1050℃开坯锻造成φ45mm的轧制钛合金棒坯，然后将钛合金棒坯加热到750℃，再在横列式轧机上轧制成φ20mm的钛合金棒材。

8.根据权利要求6所述含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，其特征在于：制备电极时，采用挤压法将混合原料压制成电极块，并将电极块进行连接形成一体作为真空自耗电极。

9.根据权利要求8所述含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，其特征在于：在真空-充氩箱内用电弧焊将电极块焊接在一起制成真空自耗电极。

10.根据权利要求2～9中任意一项所述含Cr和Mn元素的钛合金的制备方法，其特征在于：制成钛合金坯材后，再对钛合金坯材进行真空退火的热处理，控制退火温度为750℃，控制保温时间为1.5h，冷却方式采用空冷，最终制成具有α型退火组织的钛合金型材产品。