CN104313394A - 一种可添加钛残料的低成本钛合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可添加钛残料的低成本钛合金，由以下重量百分比的成分组成：Al 4.5％～5.8％，V+Mo 1.2％～1.8％，Cr 1.0％～1.8％，Fe 0.6％～0.9％，Zr+Sn≤1％，Nb≤0.4％，Si≤0.1％，O 0.16％～0.25％，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明的钛合金可利用纯钛残料以及十几种常用钛合金残料，显著降低了钛合金的成本，得到的钛合金强塑性配合优于Ti-6Al-4V钛合金，退火后拉伸强度在860MPa～1030MPa之间，强化热处理后拉伸强度在1050MPa～1250MPa之间，可满足各领域对低成本高强钛合金的需求。
Description
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种可添加钛残料的低成本钛合金。
背景技术
高价格一直是限制钛合金大量应用的最大障碍，因此降低材料成本一直是钛合金研究领域最受关注的重点之一。目前，最有效的降低钛合金成本的途径有以下几个方面：1)开发新型钛合金，主要合金化元素所需添加的中间合金量较少或价格较低；2)在熔炼铸锭时能够添加较大比例的钛残料；3)改进制备技术，降低熔炼、加工的成本，提高成品率。其中前两个方面技术难度较低且效果显著，尤其值得关注。
Ti-6Al-4V由于其良好的综合性能成为当前用量最大的钛合金材料。在新开发的低成本钛合金中，强塑性与Ti-6Al-4V合金相当，且成本更低的钛合金仅有Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si和Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O两种符合要求。值得注意的是，Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si合金中只能添加纯钛残料，而Ti-6Al-4V(高氧)合金中可添加纯钛及普通Ti-6Al-4V合金的残料，Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O合金中则可添加纯及Ti-6Al-4V和Ti-10V-2Fe-Al两种含V或Fe的钛残料。因此相比较而言，Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O合金具有更好的低成本化潜力。
目前航空、航天应用的很多高强、高温钛合金由于成分复杂，其残料按照规定也不能再次加入合金中用于军工应用，大量的该类合金残料都以很低的价格处理掉，严重浪费了资源。如果能利用该类合金残料，合金成本将显著降低。由于合金成分决定了合金的特性，是其所有特征的源头，因此新型低成本钛合金的设计应该从合金成分、可利用残料合金种类等多个方面综合考虑。
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，提供一种可添加钛残料的低成本钛合金。该钛合金可利用纯钛残料以及十几种常用钛合金残料，显著降低了钛合金的成本，得到的钛合金强塑性配合优于Ti-6Al-4V钛合金，退火后拉伸强度在860MPa～1030MPa之间，强化热处理后拉伸强度在1050MPa～1250MPa之间，可满足各领域对低成本高强钛合金的需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 4.5％～5.8％，V+Mo 1.2％～1.8％，Cr 1.0％～1.8％，Fe 0.6％～0.9％，Zr+Sn≤1％，Nb≤0.4％，Si≤0.1％，O 0.16％～0.25％，余量为Ti和不可避免的杂质；其中Mo≤1％，Ti的来源为海绵钛和钛残料，所述钛残料为纯钛残料和/或钛合金残料。
上述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，所述纯钛残料为TA15、TA7和TA18中的一种或几种纯钛残料；所述钛合金残料为TC4、TC6、TC11、TC17、TC18、TC21、TB2、TB3、TB5、TB6、TB8和TB9中的一种或几种钛合金残料。
上述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：由以下重量百分比的成分组成：Al 5.8％，V 0.5％，Mo 1.0％，Cr 1.6％，Fe 0.6％，Zr 0.5％，Sn 0.5％，O 0.16％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 5.5％，V 1.0％，Mo 0.5％，Cr 1.3％，Fe 0.7％，Zr 0.4％，Sn 0.6％，Nb 0.4％，O 0.19％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 5.3％，V 0.8％，Mo 1.0％，Cr 1.0％，Fe 0.9％，O 0.20％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 5.0％，V 0.5％，Mo 0.7％，Cr 1.5％，Fe 0.8％，Zr 0.3％，Si 0.06％，O 0.22％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 5.0％，V 1.8％，Cr 1.8％，Fe 0.7％，Sn 0.3％，O 0.21％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 4.7％，V 1.8％，Cr 1.8％，Fe 0.8％，O 0.23％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al 4.5％，V 1.2％，Mo 0.6％，Cr 1.4％，Fe0.9％，Zr 0.3％，Sn 0.3％，O 0.25％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本发明的可添加钛残料的低成本钛合金的制备方法为钛合金的常规制备方法：根据需要选择合适的中间合金、钛残料与海绵钛按设计成分混合压制电极，经真空自耗电弧炉、电子束冷床炉或等离子冷床炉等熔炼得到合金锭，然后根据需要进行棒材锻造、板材轧制、棒丝材轧制等热加工工艺，成品经退火或固溶时效后使用。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明的可添加钛残料的低成本钛合金可利用纯钛残料以及十几种常用钛合金残料，显著降低了钛合金的成本，得到的钛合金强塑性配合优于Ti-6Al-4V钛合金，退火后拉伸强度在860MPa～1030MPa之间，强化热处理后拉伸强度在1050MPa～1250MPa之间，可满足各领域对低成本高强钛合金的需求。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明的可添加钛残料的低成本钛合金，所涉及的中间合金包括铝钒合金、钒铁合金、铬铁合金、金属铬、铝豆、工业铁、氧化钛粉等，所使用的海绵钛为1级海绵钛或2级海绵钛。其合金的重量百分比组成为Al4.5％～5.8％，V+Mo 1.2％～1.8％，Cr 1.0％～1.8％，Fe 0.6％～0.9％，Zr+Sn≤1％，Nb≤0.4％，Si≤0.1％，O 0.16％～0.25％，余量为Ti和不可避免的杂质；其中Mo≤1％，Ti的来源为海绵钛和钛残料，所述钛残料为纯钛残料和/或钛合金残料。
本发明的可添加钛残料的低成本钛合金的制备方法为：根据需要选择合适的中间合金和钛残料，将中间合金、钛残料与海绵钛按设计成分混合压制电极，经真空自耗电弧炉、电子束冷床炉或等离子冷床炉等熔炼得到合金铸锭，合金铸锭在1080℃～1180℃温度下开坯锻造，成品热加工锻造温度和轧制温度为880℃～960℃。合金成品经700℃～850℃退火处理，或870℃～950℃固溶处理及480℃～600℃时效处理后使用。
本发明的钛合金退火处理后的室温拉伸性能为：σb为860MPa～1030MPa，δ为12％～20％；固溶时效处理后的拉伸性能为：σb为1050MPa～1250MPa，δ为7％～15％。
实施例1
本实施例钛合金的名义成分为Ti-5.8Al-0.5V-1Mo-1.6Cr-0.6Fe-0.5Zr-0.5Sn，其中O含量为0.16wt％，即按重量百分比计为：Al 5.8％，V 0.5％，Mo 1.0％，Cr 1.6％，Fe 0.6％，Zr 0.5％，Sn 0.5％，O 0.16％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：按重量百分比计25％的TC17(Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr)钛合金屑(钛合金残料)，5％的TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)钛合金屑(钛合金残料)，其余为铝豆、FeCr55低碳铬铁和1级海绵钛。
本实施例的钛合金的制备方法为：将TC17钛合金屑、TB6钛合金屑、铝豆、FeCr55低碳铬铁和1级海绵钛按设计成分混合压制电极，用真空自耗电弧炉经二次熔炼制成合金铸锭，合金铸锭中O的实测含量为0.16wt％，合金铸锭在1150℃下开坯锻造成合金锭后经两火次锻造(锻造温度940℃)，获得直径50mm的合金圆棒。
本实施例合金圆棒经750℃/120min退火处理后的室温拉伸性能为：σb为890MPa，σ0.2为720MPa，δ为17％；本实施例合金圆棒经930℃/1h+550℃/4h处理后的室温拉伸性能：σb为1130MPa，σ0.2为1060MPa，δ为13％。
实施例2
本实施例钛合金的名义成分为Ti-5.5Al-1V-0.5Mo-1.3Cr-0.7Fe-0.4Zr-0.6Sn-0.4Nb，其中O含量为0.19wt％，即按重量百分比计为：Al 5.5％，V 1.0％，Mo 0.5％，Cr 1.3％，Fe 0.7％，Zr 0.4％，Sn 0.6％，Nb 0.4％，O 0.19％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：按重量百分比计20％的TC21(Ti-6Al-2Zr-2Sn-2.5Mo-1.5Cr-2Nb)钛合金屑(钛合金残料)，6.8％的TB5(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)钛合金屑(钛合金残料)，其余为铝豆、FeCr55低碳铬铁和1级海绵钛。
本实施例的钛合金的制备方法为：将TC21钛合金屑、TB8钛合金屑、铝豆、FeCr55低碳铬铁和1级海绵钛按设计成分混合压制电极，用真空自耗电弧炉经二次熔炼制成合金铸锭，合金铸锭中O的实测含量为0.19wt％，合金铸锭在1150℃下开坯锻造成合金锭后经两火次锻造(锻造温度920℃)，获得直径20mm的合金圆棒。
本实施例合金圆棒经850℃/120min退火处理后的室温拉伸性能为：σb为860MPa，σ0.2为800MPa，δ为20％；本实施例合金圆棒经930℃/1h+600℃/4h处理后的室温拉伸性能：σb为1050MPa，σ0.2为970MPa，δ为15％。
实施例3
本实施例钛合金的名义成分为Ti-5.3Al-0.8V-1Mo-1Cr-0.9Fe，其中O含量为0.20wt％，即按重量百分比计为：Al 5.3％，V 0.8％，Mo 1.0％，Cr 1.0％，Fe 0.9％，O 0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：按重量百分比计10％的TB3(Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al)钛合金屑(钛合金残料)，20％的TA7纯钛屑(纯钛残料)，其余为铝豆、FeCr55低碳铬铁和1级海绵钛。
本实施例的钛合金的制备方法为：将TB3钛合金屑、TA7纯钛屑、铝豆、FeCr55低碳铬铁和1级海绵钛按设计成分混合压制电极，先用真空自耗电弧炉熔炼，再用电子束冷床炉熔炼制成合金铸锭，合金铸锭中O的实测含量为0.2wt％，合金铸锭在1180℃下开坯锻造，最后在960℃下轧制，获得厚度为20mm的合金板材。
本实施例合金板材经800℃/120min退火处理后的室温拉伸性能为：σb为960MPa，σ0.2为900MPa，δ为15％；本实施例合金板材经950℃/1h+580℃/4h处理后的室温拉伸性能：σb为1110MPa，σ0.2为1040MPa，δ为11％。
实施例4
本实施例钛合金的名义成分为Ti-5Al-0.5V-0.7Mo-1.5Cr-0.8Fe-0.3Zr-0.1Si，其中O含量为0.22wt％，即按重量百分比计为：Al 5.0％，V 0.5％，Mo 0.7％，Cr 1.5％，Fe 0.8％，Zr 0.3，Si 0.1，O 0.22％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：按重量百分比计20％的TC11(Ti-6Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)钛合金屑(钛合金残料)，5％的TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)钛合金屑(钛合金残料)，其余为铝豆、FeCr69微碳铬铁和1级海绵钛。
本实施例的钛合金的制备方法为：将TC11钛合金屑、TB6钛合金屑、铝豆、FeCr69微碳铬铁和1级海绵钛按设计成分混合压制电极，用真空自耗电弧炉经二次熔炼制成合金铸锭，合金铸锭中O的实测含量为0.22wt％，合金铸锭在1120℃下开坯锻造，然后在900℃下轧制成直径50mm的合金棒材。
本实施例合金棒材经820℃/120min退火处理后的室温拉伸性能为：σb为940MPa，σ0.2为890MPa，δ为16％；本实施例合金棒材经900℃/1h+530℃/4h处理后的室温拉伸性能：σb为1150MPa，σ0.2为1070MPa，δ为12％。
实施例5
本实施例钛合金的名义成分为Ti-5Al-1.8V-1.8Cr-0.7Fe-0.3Sn，其中O含量为0.21wt％，即按重量百分比计为：Al 5.0％，V 1.8％，Cr 1.8％，Fe 0.7％，Sn 0.3，O 0.21％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：按重量百分比计10％的TB5(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)钛合金屑(钛合金残料)，7.5％的TC4(Ti-6Al-4V)钛合金屑(钛合金残料)，12.5％的TA15纯钛屑(纯钛残料)，其余为铝豆、FeCr69微碳铬铁和1级海绵钛。
本实施例的钛合金的制备方法为：将TB5钛合金屑、TC4钛合金屑、TA15纯钛屑、铝豆、FeCr69微碳铬铁和1级海绵钛按设计成分混合压制电极，先用真空自耗电弧炉熔炼，然后再用等离子冷床炉熔炼制成合金铸锭，合金铸锭中O的实测含量为0.21wt％，合金铸锭在1080℃下开坯锻造，最后在900℃下轧制成厚度10mm的合金板材。
本实施例合金板材经700℃/120min退火处理后的室温拉伸性能为：σb为1030MPa，σ0.2为970MPa，δ为13％；本实施例合金板材经880℃/1h+500℃/4h处理后的室温拉伸性能：σb为1190MPa，σ0.2为1130MPa，δ为10％。
实施例6
本实施例钛合金的名义成分为Ti-4.7Al-1.8V-1.8Cr-0.8Fe，其中O含量为0.23wt％，即按重量百分比计为：Al 4.7％，V 1.8％，Cr 1.8％，Fe 0.8％，O0.23％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：按重量百分比计20％的TC4(Ti-6Al-4V)钛合金屑(钛合金残料)，10％的TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)钛合金屑(钛合金残料)，其余为铝豆、FeCr69微碳铬铁和2级海绵钛。
本实施例的钛合金的制备方法为：将TC4钛合金屑、TB6钛合金屑、铝豆、FeCr69微碳铬铁和2级海绵钛按设计成分混合压制电极，用真空自耗电弧炉经二次熔炼制成合金铸锭，合金铸锭中O的实测含量为0.23wt％，合金铸锭在1150℃下开坯锻造，最后在910℃下锻造，获得直径100mm的合金棒材。
本实施例合金棒材经780℃/120min退火处理后的室温拉伸性能为：σb为1010MPa，σ0.2为930MPa，δ为12％；本实施例合金棒材经870℃/2h+500℃/4h处理后的室温拉伸性能：σb为1120MPa，σ0.2为1060MPa，δ为7％。
实施例7
本实施例钛合金的名义成分为Ti-4.5Al-1.2V-0.6Mo-1.4Cr-0.9Fe-0.3Zr-0.3Sn，其中O含量为0.25wt％，即按重量百分比计为：Al 4.5％，V 1.2％，Mo 0.6％，Cr 1.4％，Fe 0.9％，Zr 0.3％，Sn 0.3％，O 0.25％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用为：按重量百分比计15％的TC17(Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr)钛合金屑(钛合金残料)，12％的TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)钛合金屑(钛合金残料)，其余为铝豆、FeCr55低碳铬铁和2级海绵钛。
本实施例的钛合金的制备方法为：将TC17钛合金屑、TB6钛合金屑、铝豆、FeCr55低碳铬铁和2级海绵钛按设计成分混合压制电极，用真空自耗电弧炉经二次熔炼制成合金铸锭，合金铸锭中O的实测含量为0.25wt％，合金铸锭在1100℃下开坯锻造，最后在880℃下锻造，获得直径20mm的合金棒材。
本实施例合金棒材经750℃/120min退火处理后的室温拉伸性能为：σb为1030MPa，σ0.2为950MPa，δ为16％；本实施例合金棒材经890℃/2h+480℃/4h处理后的室温拉伸性能：σb为1250MPa，σ0.2为1160MPa，δ为10％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，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、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al4.5％～5.8％，V+Mo1.2％～1.8％，Cr1.0％～1.8％，Fe0.6％～0.9％，Zr+Sn≤1％，Nb≤0.4％，Si≤0.1％，O0.16％～0.25％，余量为Ti和不可避免的杂质；其中Mo≤1％，Ti的来源为海绵钛和钛残料，所述钛残料为纯钛残料和/或钛合金残料。
2.根据权利要求1所述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，所述纯钛残料为TA15、TA7和TA18中的一种或几种纯钛残料；所述钛合金残料为TC4、TC6、TC11、TC17、TC18、TC21、TB2、TB3、TB5、TB6、TB8和TB9中的一种或几种钛合金残料。
3.根据权利要求1所述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：由以下重量百分比的成分组成：Al5.8％，V0.5％，Mo1.0％，Cr1.6％，Fe0.6％，Zr0.5％，Sn0.5％，O0.16％，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al5.5％，V1.0％，Mo0.5％，Cr1.3％，Fe0.7％，Zr0.4％，Sn0.6％，Nb0.4％，O0.19％，余量为Ti和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al5.3％，V0.8％，Mo1.0％，Cr1.0％，Fe0.9％，O0.20％，余量为Ti和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al5.0％，V0.5％，Mo0.7％，Cr1.5％，Fe0.8％，Zr0.3％，Si0.06％，O0.22％，余量为Ti和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al5.0％，V1.8％，Cr1.8％，Fe0.7％，Sn0.3％，O0.21％，余量为Ti和不可避免的杂质。
8.根据权利要求1所述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al4.7％，V1.8％，Cr1.8％，Fe0.8％，O0.23％，余量为Ti和不可避免的杂质。
9.根据权利要求1所述的一种可添加钛残料的低成本钛合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：Al4.5％，V1.2％，Mo0.6％，Cr1.4％，Fe0.9％，Zr0.3％，Sn0.3％，O0.25％，余量为Ti和不可避免的杂质。
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