CN105018792A - 一种高强度钛铁铌碳合金 - Google Patents
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Abstract
一种高强度钛铁铌碳合金，其特征在于：其质量百分比为：Fe的含量为10.5-11.5％，Nb的含量为8.5-9.5％，C的含量为0.03-0.07％，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明合金中铁的含量占比较高，低于其他β稳定元素的原料成本，从而降低合金的原料成本；本发明综合力学性能较好，合金熔炼较易。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学和有色金属及其合金，特别是钛合金。
背景技术
钛是一种中低密度金属(其密度为4.5)，其合金具有较高的比强度，中温性能好，无磁性，具有极强的耐腐蚀能力，焊接性能好，是性能优异的金属结构材料。钛的储量丰富，含钛的矿物多达70多种，约占地壳总重量0.42％，在金属界里排行第七，是铜、镍、铅、锌的总量的16倍。钛及其合金应用100余年来，在航空、航天、舰船、核电、武器装备、石油开采和生物医学材料等高技术领域日益占据主导地位。
为了调控合金组织、优化性能，需要加入一些过渡金属元素如钒、钼、铬、钨、镍、钴等达到稳定β相的目的。由于一些β相稳定元素熔点较高，难以熔炼，例如钒(熔点1890℃)、钼(熔点2610℃)、铬(熔点1907℃)、钽(熔点2996℃)、钨(熔点3380℃)，这些高熔点原料的使用必将提高钛合金的制造成本。另外，根据粗略市场调查，常用合金化元素的价格高昂，例如，钒(约3000元/KG)、钼(约500元/KG)、铬(约650元/KG)、钽(约4800元/KG)、钨(约500元/KG)。综合上述各因素，不利于钛合金的规模化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原料的熔点和成本均较低的高强度钛铁铌碳合金。该合金为一种具有较高铁含量及较高碳含量的钛合金材料。
本发明的技术方案是通过下述方式实现的：
1、本发明的高强度钛铁铌碳合金材料，其质量百分比为：Fe的含量为10.5-11.5％，Nb的含量为8.5-9.5％，C的含量为0.03-0.07％，余量为Ti和不可避免的杂质。
2、本发明的制备方法如下：
1)非自耗电弧炉熔炼
按照合金给定配比称取原料配制合金，将配好成分的合金置于电弧炉的水冷铜坩埚中，利用真空非自耗电弧炉进行熔炼，熔炼前电弧炉的背底真空度高于2.0×10-2Pa，弧焊电源工作电流范围为300-500A，工作电压范围为15-30V(熔炼过程中根据熔体状态需要适当调整熔炼设备相关参数)；熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却，为确保合金成分均匀，每个合金锭要在电弧炉中反复熔炼最少8次。熔炼均匀的合金从坩埚中取出后，用于铸造态样品性能分析或后续加工。
2)中频电炉真空水冷铜坩埚熔炼
将合金原料按比例配料，置于中频电炉真空水冷铜坩埚中熔炼，熔炼过程中用电磁搅拌促进合金均匀化。熔炼前电弧炉的背底真空度高于2.0×10-2Pa，中频电炉频率为13KHz，直流电流250A，中频电流为600A，额定电压为380V。熔炼时，先于80KW预热3分钟至合金表面融化，升功率100KW保持3分钟，随后继续升功率至120KW，待合金完全融化继续保持功率3分钟精炼，最后功率降至0，充氩气保护冷却20分钟(熔炼过程中根据熔体状态需要适当调整熔炼设备相关参数)。合金的翻转借助电炉自带的电磁搅拌装置完成。
本发明中Fe为主要合金化元素，Nb为次要合金化元素，C为微量合金化元素。由于Fe、Nb元素的加入，钛合金为完全β态组织，并存在一定数量的化合物相作为基体强化相。所用合金元素的作用包括稳定β相、固溶强化、第二相强化、改善合金微观组织及降低合金中氧元素对性能的影响等。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明合金中铁的含量占比较高，发明中所用的铁可以用普通纯度的铁、商用铁粉、钢材甚至回收钢材，远远低于其他β稳定元素的原料成本，从而降低合金的原料成本。
2、综合力学性能较好，其合金铸造态样品在单轴压缩载荷作用下屈服强度为1150MPa,断裂强度可超过3000Mpa，同时其工程应变为37.7％。合金轧制态和热锻态样品在单轴拉伸测试条件下屈服强度超过1000MPa，同时其延伸率超过14％。
附图说明
图1是本发明铸态合金的压缩应力应变曲线图。
图2是本发明铸态合金的金相显微组织照片图。
图3是本发明热轧态合金的金相显微组织照片图。
图4是本发明热锻态合金的金相显微组织照片图。
具体实施方式
实例1
用79.9克纯钛丝和10.97克碳含量为0.45％的铁碳合金、9.12克纯铌等原料配料，用非自耗真空电弧炉熔炼，熔炼时电弧炉的背底真空度高于2.0×10-2Pa，弧焊电源工作电流为400A，工作电压为20V。合金经初次熔炼成一个整体后，在坩埚中翻面进行二次熔炼，如此反复，共计8次。
待合金熔炼完毕，用电火花线切割的方法从合金锭中切下尺寸为φ5×10mm的合金样品，用带引伸计的压缩力学试验机进行力学性能测试。用光学显微镜、扫描电子显微镜观察了合金的显微组织。铸态合金的压缩力学性能测试表明，其屈服强度为1150MPa，延伸率为37.7％(工程应变)，压缩断裂强度为3055MPa(工程应力)。从图1所示的本发明铸态合金单轴压缩条件下的应力-应变曲线图可以看出：该铸态合金在压缩载荷作用下体现出极高的应变硬化特征，塑性极佳；从图2所示的本发明铸态合金的金相显微组织照片图可以看出：合金的显微组织由钛基体和在基体中均匀分布的强化相组成，其强化相主要分布于晶粒内部。
实例2
用79.9克钛丝和10.97克碳含量为0.56％的铁碳合金、9.12克纯铌等原料配料，用非自耗真空电弧炉熔炼。熔炼时电弧炉的背底真空度高于2.0×10-2Pa，弧焊电源工作电流为450A，工作电压为30V。合金经初次熔炼成一个整体后，在坩埚中翻面进行二次熔炼，如此反复，共计8次。
待合金熔炼完毕后，用电火花线切割从合金锭中切下长宽高为40、40、15的合金样品，于900度进行多道次轧制，道次变形量控制在10％以内，总变形量为60％以上,轧制后合金用水淬或空冷的方式冷至室温。将合金板用电火花线切割成拉伸试样，用带有引伸计的拉伸力学试验机进行力学性能测试，用光学显微镜、扫描电子显微镜观测了合金的显微组织。从图3所示的本发明热轧态合金的金相显微组织照片图可以看出，合金的组织经轧制后呈现一定的取向性，基体组织细化。
实例3
用3995克纯钛丝、548.5克碳含量为0.56％的铁碳合金和456克纯铌按比例配料，在中频电炉真空水冷铜坩埚中熔炼，熔炼过程中用电磁搅拌促进合金均匀化。熔炼前电弧炉的背底真空度高于2.0×10-2Pa，中频电炉频率为13KHz，直流电流250A，中频电流为600A，额定电压为380V。熔炼时，先于80KW预热3分钟至合金表面融化，升功率100KW保持3分钟，随后继续升功率至120KW，待合金完全融化继续保持功率3分钟精炼，最后功率降至0，充氩气保护冷却20分钟(熔炼过程中根据熔体状态需要适当调整熔炼设备相关参数)。合金的翻转借助电炉自带的电磁搅拌装置完成。
待合金熔炼完毕后，浇注成合金圆棒。将所制的合金棒于1150℃温度范围内开坯锻造，于950℃精锻成型并空冷至室温。锻后合金变形量大于60％。用电火花线切割分别切下拉伸和压缩实验样品，用带引伸计的力学试验机进行力学性能测试。合金经锻造后拉伸屈服强度为1049MPa，延伸率为14.4％，具有优异的综合机械性能。从图4所示的本发明热锻态合金的金相显微组织照片图可以看出，合金的基体组织进一步细化，强化相分布均匀。
表一 给出了本发明不同制备条件下合金的基本力学性能参数
| 编号 | 状态 | 弹性模量 | 屈服强度 | 断裂强度 | 延伸率 | 备注 |
| 实例1 | 铸态 | 71GPa | 1150MPa | 3055MPa | 37.7％ | 压缩实测 |
| 实例2 | 轧制态 | 99GPa | 1053MPa | 1063MPa | 14.0％ | 拉伸实测 |
| 实例3 | 热锻态 | 104GPa | 1049MPa | 1074MPa | 14.4％ | 拉伸实测 |
| 实例3 | 热锻态 | 68GPa | 1100MPa | 3190MPa | 38.3％ | 压缩实测 |
Claims (1)
1.一种高强度钛铁铌碳合金，其特征在于：其质量百分比为：Fe的含量为10.5-11.5％，Nb的含量为8.5-9.5％，C的含量为0.03-0.07％，余量为Ti和不可避免的杂质。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170301 |