CN105420550A - 一种高性能钛合金及其制备方法 - Google Patents

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王磊
程龙
刘丹
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Abstract

本发明提供一种高性能钛合金及其制备方法，包括下述重量百分比的化学元素C、？0.08-0.12％，Si、0.3-0.5％，O、0.1-0.5%，W、2-5％，Mn、1.5-3.5％，Cr、3.0-5.0％，Co、1.0-1.6％，B、0.3-0.8%，V、0.15-0.25％，Al、2.5-4％，N、0.1-0.5％，Sn、6.5-10％，Te、3-5%，Mo、0.08-1.25％，Ni≤0.40％，余量为钛。本发明高性能钛合金具有相对密度低，比强度高，耐腐蚀性好，稳定性好，力学性能优异等特点，而且耐水解性能好，精度高，成本低，在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。

Description

一种高性能钛合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种高性能钛合金及其制备方法。
背景技术
钛及其合金是20世纪兴起的一种重要的金属材料，同钢、铝等金属材料相比，它具有比强度高、中温性能好及耐腐蚀好等优势。在短短的半个世纪内，钛及钛合金得到了迅猛的发展，成为材料领域的重要组成部分。钛及其合金主要应用于航空领域，在化学工业、核工业、航天、船舶等领域也得到了越来越广泛的应用。因而钛合金技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术。在航空方面，钛合金是飞机机体结构和飞机发动机的主要结构材料之一。钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一，是影响飞机战术技术性能的一个重要方面。在飞机结构中，用钛合金代替高强度结构钢，可以减重15％~20％。现如今，世界上大型客机的生产厂家包括波音、空客和商飞。随着科技的发展，钛合金在飞机上的使用量不断增加，钛合金在飞机中的使用量(百分比)不断增加的情况，由于钛合金在飞机上的使用量不断增加，其重要性日显突出。大力发展钛合金行业对我国民用和军用飞机事业及其它工业的发展是非常重要的。中国目前也有国产大飞机C919，其中第三代铝锂合金材料、先进复合材料在C919机体结构用量分别达到8.8%和12%，国产铝合金、钛合金及钢等材料占全机结构重量20-30%。但是与欧美的先进飞机相比，还有一定差距，需要不断努力，尽量缩短这一差距。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种高性能钛合金，高性能钛合金具有相对密度低，比强度高，比模量高，耐腐蚀性好，是能够用于航空航天等领域的高性能合金材料。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高性能钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.08-0.12％，Si、0.3-0.5％，O、0.1-0.5%，W、2-5％，Mn、1.5-3.5％，Cr、3.0-5.0％，Co、1.0-1.6％，B、0.3-0.8%，V、0.15-0.25％，Al、2.5-4％，N、0.1-0.5％，Sn、6.5-10％，Te、3-5%，Mo、0.08-1.25％，Ni≤0.40％，余量为钛。
优选的，所述高性能钛合金包括下述重量百分比的化学元素：C、0.1-0.12％，Si、0.35-0.5％，O、0.2-0.4%，W、2.5-4.5％，Mn、2.0-3.5％，Cr、3.5-5.0％，Co、1.2-1.5％，B、0.4-0.7%，V、0.17-0.22％，Al、2.9-3.5％，N、0.2-0.4％，Sn、7.5-9％，Te、3.5-5%，Mo、0.5-1.05％，Ni≤0.40％，余量为钛。
优选的，所述高性能钛合金包括下述重量百分比的化学元素：C、0.1％，Si、0.4％，O、0.3%，W、3％，Mn、2.5％，Cr、4％，Co、1.3％，B、0.5%，V、0.2％，Al、3％，N、0.3％，Sn、8％，Te、4%，Mo、0.65％，Ni≤0.40％，余量为钛。
优选的，所述高性能钛合金包括下述重量百分比的化学元素：C、0.11％，Si、0.45％，O、0.3%，W、3.5％，Mn、2.7％，Cr、4.3％，Co、1.35％，B、0.55%，V、0.19％，Al、3.2％，N、0.35％，Sn、8.5％，Te、4.2%，Mo、0.75％，Ni≤0.40％，余量为钛。
对本高性能钛合金进行了性能测试和分析，抗拉强度Rm≥1300MPa，屈服强度Rp≥1200MPa，延伸率A≥9%，面缩率≥15%，断裂韧性KIC≥90MPa·m^0.5。而一般的钛合金并不能达到此性能。
一种高性能钛合金制备方法，S1、按钛合金各元素组分计算海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe用量配比，配制；
S2、步骤S1中的海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe按配比放入真空炉经17000±20℃高温熔化并保温12-15分钟，然后在真空状态下浇铸成半成品；所述真空炉的真空度大约为10^（－4）Pa；所述真空炉采用分子泵抽真空。
S3、将步骤S2制得的半成品在真空自耗电极凝壳炉中进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为780℃时固溶9分钟，并在450℃时效6小时，得高性能钛合金材料；所述固溶和时效时采用氮气保护。
本发明提供一种高性能钛合金，本发明高性能钛合金具有相对密度低，比强度高，比模量高，耐腐蚀性好，热膨胀系数小、稳定性好、力学性能优异等特点，而且耐水解性能好，精度高，塑性高，韧性大幅度提高，成本低，在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。本发明提供的方法，工艺简单，生产成本相对降低，节约能源，提高生产效率和材料的利益率。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：本实施例高性能钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.08，Si、0.3％，O、0.1%，W、2％，Mn、1.5％，Cr、3.0％，Co、1.0％，B、0.3%，V、0.15％，Al、2.5％，N、0.1％，Sn、6.5％，Te、3%，Mo、0.08％，Ni≤0.40％，余量为钛。
本实施例高性能钛合金的制备方法，包括以下制备步骤：
S1、按钛合金各元素组分计算海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe用量配比，配制；
S2、步骤S1中的海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe按配比放入真空炉经17000±20℃高温熔化并保温12-15分钟，然后在真空状态下浇铸成半成品；所述真空炉的真空度大约为10^（－4）Pa；所述真空炉采用分子泵抽真空。
S3、将步骤S2制得的半成品在真空自耗电极凝壳炉中进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为780℃时固溶9分钟，并在450℃时效6小时，得高性能钛合金材料；所述固溶、时效时采用氮气保护。
实施例2：本实施例高性能钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.12％，Si、0.5％，O、0.5%，W、5％，Mn、3.5％，Cr、5.0％，Co、1.6％，B、0.8%，V、0.25％，Al、4％，N、0.5％，Sn、10％，Te、5%，Mo、1.25％，Ni≤0.40％，余量为钛。
本实施例高性能钛合金的制备方法，包括以下制备步骤：
S1、按钛合金各元素组分计算海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe用量配比，配制；
S2、步骤S1中的海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe按配比放入真空炉经17000±20℃高温熔化并保温12-15分钟，然后在真空状态下浇铸成半成品；所述真空炉的真空度大约为10^（－4）Pa；所述真空炉采用分子泵抽真空。
S3、将步骤S2制得的半成品在真空自耗电极凝壳炉中进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为780℃时固溶9分钟，并在450℃时效6小时，得高性能钛合金材料；所述固溶、时效时采用氮气保护。
实施例3：本实施例高性能钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.1％，Si、0.35％，O、0.2%，W、2.5％，Mn、2.0％，Cr、3.5％，Co、1.2％，B、0.4%，V、0.17％，Al、2.9％，N、0.2％，Sn、7.5％，Te、3.5%，Mo、0.5％，Ni≤0.40％，余量为钛。
本实施例高性能钛合金的制备方法，包括以下制备步骤：
S1、按钛合金各元素组分计算海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe用量配比，配制；
S2、步骤S1中的海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe按配比放入真空炉经17000±20℃高温熔化并保温12-15分钟，然后在真空状态下浇铸成半成品；所述真空炉的真空度大约为10^（－4）Pa；所述真空炉采用分子泵抽真空。
S3、将步骤S2制得的半成品在真空自耗电极凝壳炉中进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为780℃时固溶9分钟，并在450℃时效6小时，得高性能钛合金材料；所述固溶、时效时采用氮气保护。
实施例4：本实施例高性能钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.12％，Si、0.5％，O、0.4%，W、4.5％，Mn、3.5％，Cr、5.0％，Co、1.5％，B、0.7%，V、0.22％，Al、3.5％，N、0.4％，Sn、9％，Te、5%，Mo、1.05％，Ni≤0.40％，余量为钛。
本实施例高性能钛合金的制备方法，包括以下制备步骤：
S1、按钛合金各元素组分计算海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe用量配比，配制；
S2、步骤S1中的海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe按配比放入真空炉经17000℃高温熔化并保温12分钟，然后在真空状态下浇铸成半成品；所述真空炉的真空度大约为10^（－4）Pa；所述真空炉采用分子泵抽真空。
S3、将步骤S2制得的半成品在真空自耗电极凝壳炉中进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为780℃时固溶9分钟，并在450℃时效6小时，得高性能钛合金材料；所述固溶、时效时采用氮气保护。
实施例5：本实施例高性能钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.1％，Si、0.4％，O、0.3%，W、3％，Mn、2.5％，Cr、4％，Co、1.3％，B、0.5%，V、0.2％，Al、3％，N、0.3％，Sn、8％，Te、4%，Mo、0.65％，Ni≤0.40％，余量为钛。
本实施例高性能钛合金的制备方法，包括以下制备步骤：
S1、按钛合金各元素组分计算海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe用量配比，配制；
S2、步骤S1中的海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe按配比放入真空炉经17020℃高温熔化并保温13分钟，然后在真空状态下浇铸成半成品；所述真空炉的真空度大约为10^（－4）Pa；所述真空炉采用分子泵抽真空。
S3、将步骤S2制得的半成品在真空自耗电极凝壳炉中进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为780℃时固溶9分钟，并在450℃时效6小时，得高性能钛合金材料；所述固溶、时效时采用氮气保护。
实施例6：本实施例高性能钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.11％，Si、0.45％，O、0.3%，W、3.5％，Mn、2.7％，Cr、4.3％，Co、1.35％，B、0.55%，V、0.19％，Al、3.2％，N、0.35％，Sn、8.5％，Te、4.2%，Mo、0.75％，Ni≤0.40％，余量为钛。
本实施例高性能钛合金的制备方法，包括以下制备步骤：
S1、按钛合金各元素组分计算海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe用量配比，配制；
S2、步骤S1中的海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe按配比放入真空炉经16980℃高温熔化并保温15分钟，然后在真空状态下浇铸成半成品；所述真空炉的真空度大约为10^（－4）Pa；所述真空炉采用分子泵抽真空。
S3、将步骤S2制得的半成品在真空自耗电极凝壳炉中进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为650℃时固溶9分钟，并在450℃时效6小时，得高性能钛合金材料；所述固溶、时效时采用氮气保护。
在650℃固溶的钛合金具有良好的高温瞬时强度、抗蠕变性及热稳定性能，与780℃固溶的钛合金性能差别不大，能源利用率提高了，该合金可用来制造航空发动机的压气机盘件、叶片，还可用来制造航天结构件。
实施例7：本实施例高性能钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.09％，Si、0.39％，O、0.28%，W、4.5％，Mn、1.7％，Cr、4.6％，Co、1.15％，B、0.46%，V、0.19％，Al、3.5％，N、0.36％，Sn、8.7％，Te、3.3%，Mo、0.31％，Ni≤0.40％，余量为钛。
本实施例高性能钛合金的制备方法同实施例6。
实施例8：本实施例高性能钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.1％，Si、0.47％，O、0.23%，W、2.5％，Mn、2.3％，Cr、3.9％，Co、1.4％，B、0.4%，V、0.17％，Al、3.8％，N、0.3％，Sn、7％，Te、3%，Mo、1.25％，Ni≤0.40％，余量为钛。
本实施例高性能钛合金的制备方法同实施例6。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种高性能钛合金，其特征在于，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.08-0.12％，Si、0.3-0.5％，O、0.1-0.5%，W、2-5％，Mn、1.5-3.5％，Cr、3.0-5.0％，Co、1.0-1.6％，B、0.3-0.8%，V、0.15-0.25％，Al、2.5-4％，N、0.1-0.5％，Sn、6.5-10％，Te、3-5%，Mo、0.08-1.25％，Ni≤0.40％，余量为钛。
2.根据权利要求1所述的高性能钛合金，其特征在于，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.1-0.12％，Si、0.35-0.5％，O、0.2-0.4%，W、2.5-4.5％，Mn、2.0-3.5％，Cr、3.5-5.0％，Co、1.2-1.5％，B、0.4-0.7%，V、0.17-0.22％，Al、2.9-3.5％，N、0.2-0.4％，Sn、7.5-9％，Te、3.5-5%，Mo、0.5-1.05％，Ni≤0.40％，余量为钛。
3.根据权利要求1所述的高性能钛合金，其特征在于，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.1％，Si、0.4％，O、0.3%，W、3％，Mn、2.5％，Cr、4％，Co、1.3％，B、0.5%，V、0.2％，Al、3％，N、0.3％，Sn、8％，Te、4%，Mo、0.65％，Ni≤0.40％，余量为钛。
4.根据权利要求1所述的高性能钛合金，其特征在于，包括下述重量百分比的化学元素：C、0.11％，Si、0.45％，O、0.3%，W、3.5％，Mn、2.7％，Cr、4.3％，Co、1.35％，B、0.55%，V、0.19％，Al、3.2％，N、0.35％，Sn、8.5％，Te、4.2%，Mo、0.75％，Ni≤0.40％，余量为钛。
5.一种高性能钛合金制备方法，其特征在于，S1、按钛合金各元素组分计算海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe用量配比，配制；
S2、步骤S1中的海绵钛、Al-V、Al-Mo、Fe-B中间合金、纯Al、纯Fe按配比放入真空炉经17000±20℃高温熔化并保温12-15分钟，然后在真空状态下浇铸成半成品；
S3、将步骤S2制得的半成品在真空自耗电极凝壳炉中进行产品浇注，然后进行固溶时效处理，处理工艺为780℃时固溶9分钟，并在450℃时效6小时，得高性能钛合金材料。
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