CN105755311A - 一种高强高韧钛合金及其制备方法 - Google Patents

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李成林
李冬
于洋
刘睿
宋晓云
叶文君
惠松骁
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Abstract

本发明涉及一种高强高韧钛合金及其制备方法，属于有色金属加工领域。该合金的重量百分比组成为：Al：2.5～4.0％，Fe：0.5～1.5％，V：2.0～6.0％，Cr:3.5～5.0％，余量为钛，其中V/Fe比在3.6～4.5之间。采用海绵钛、Al豆、Fe-68Cr中间合金、Fe-80V中间合金配料，二次熔炼得到铸锭，铸锭开坯锻造成棒坯，镦粗拔长，制成棒材；棒材进行固溶时效处理。本发明合金可以达到更高强度下的综合性能的良好匹配，合金1300MPa级别下具有良好的塑性和断裂韧性。

Description

一种高强高韧钛合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强高韧钛合金及其制备方法，属于有色金属加工领域。
背景技术
钛及钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，已被广泛应用于在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等各个领域。在航空航天工业中，钛合金是飞机和发动机的主要结构材料之一。钛合金在飞机上使用可以减轻重量，提高结构效率，降低飞行成本，因此钛合金在飞机的某些部位逐渐替代了钢、铝合金和镍基超合金，成为航空工业大型结构件的理想材料。理论计算表明在仅考虑强度的前提条件下，钛合金替代超高强度钢，抗拉强度达1300MPa时，可减重11％；达1500MPa时，可减重23％；达1800MPa时，可减重36％。
近年来随着材料科学的发展以及能源危机的冲击，航空航天工业对高强度、高断裂韧性的新型结构材料的需要越来越迫切。各国竞相研制开发新型高强高韧钛合金或通过调整现有钛合金的成分提高钛合金的强度和断裂韧性。因此，研制具有自主知识产权，能够替代超高强度钢并用于航空大型承力件的新型高强高韧钛合金势在必行。
Ti-1023合金是美国Timet公司于1971年研制成功，迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金。1972年，Rockwell国际公司评价了这种合金用于飞机机架的可能性，并证明合金该具有良好的高强高韧性。1977年，波音公司为了减轻飞机重量提出选择一种Rm为1240MPa，KIC为44MPa·m1/2的钛合金用于生产的新一代商业飞机，以替换飞机中的钢结构材料和退火强度较低的TC4合金。其中Ti-1023被选定为最有前途的钛合金。1980年，波音公司选择Ti-1023合金制造了757飞机零件。
Ti-1023的成功应用应归结于它是一种高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金。为了提高合金的锻造性能和断裂韧性，要求合金中Fe的含量低于2％，O的含量限制在0.13％以下。在同等强度等级下，合金在两相区固溶处理得到的组织具有良好的塑性。合金经热处理后其Rm为965～1310MPa，KIC为99～33MPa·m1/2，有较好的强韧性匹配关系。此外Ti-1023合金含有2％Fe元素，在熔炼时易因成分偏析产生“β斑”，使合金组织不均匀，降低塑性及疲劳性能。另外，Ti-1023合金的力学性能对显微组织及其热处理极为敏感，时效温度低于500℃时，极易产生脆性ω相而使合金的塑性急剧下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强高韧钛合金，使其强度、塑性和韧性得到良好匹配。
一种新型高强高韧钛合金，具体为Ti-Al-Cr-Fe-V系合金，该合金的重量百分比组成为：Al：2.5～4.0％，Fe：0.5～1.5％，V：2.0～6.0％，Cr:3.5～5.0％，余量为钛和不可避免的杂质，其中V/Fe比在3.6～4.5之间。
该合金中，各元素重量百分比含量的优选范围为：Al为2.5～2.8w％，Fe为0.8～1.2w％，V为2～4w％，Cr为3.5～4.2w％。
该合金中，Fe、V和Cr均采用中间合金的形式加入。Fe、V和Cr均以中间合金的形式进行合金化，可降低合金化成本。
Fe作为最强的beta稳定化元素，加入到钛合金中，可以加快其时效响应速度，因而达到时效强度峰值所需时间也较短。V是钛合金中常见的同晶型beta稳定元素，在提高合金的强度的同时可以保持合金具有较好的塑形。V元素单质价格昂贵，因此以V-Fe中间合金的形式加入以降低合金化成本。另外，市场上常见的V-Fe中间合金的重量比为4，因此，V/Fe比在3.6～4.5之间更有利于降低合金化成本。Cr也是较强的beta稳定化元素，可提高合金的塑性、韧性和淬透性。Cr元素还能够细化合金的铸态显微组织。而且Cr以非常廉价的Cr-Fe中间合金的形式加入可以起到降低合金成本的目的。Al元素作为α相稳定元素可以提高合金的强度，也可以防止ω相析出引起的脆性。
本发明高强高韧钛合金的制备方法，包括采用海绵钛、Al豆、Fe-68Cr中间合金、Fe-80V中间合金配料等按设计成分分层布料压制电极，用常规真空自耗熔炼炉二次熔炼得到铸锭，其合金成分的重量百分比为：Al：2.5～4.0％，Fe：0.5～1.5％，V：2.0～6.0％，Cr:3.5～5.0％，余量为钛和不可避免的杂质，其中V/Fe比在3.6～4.5之间。
发明合金可由以下的工艺获得相关的基本力学性能，合金铸锭在950℃～1050℃开坯锻造成棒坯，变形量50～70％左右，经过多次降温至750℃～820℃镦粗拔长，累积变形量70～90％左右，制成一定规格的棒材。
将上述制得的棒材进行固溶时效处理，在800℃～820℃固溶处理0.5～1.5小时，水冷后，550℃～600℃时效处理2～8小时。棒材经过合理的固溶时效工艺可以达到强度、塑性、断裂韧性的良好匹配。
本发明的特征及优点是：Fe、V和Cr均以中间合金的形式进行合金化，可降低合金化成本。其中各元素含量的优选范围为：Al为2.5-2.8，Fe为0.8～1.2，V为2-4，Cr为3.5～4.2。合金可以达到更高强度下的综合性能的良好匹配，合金1300MPa级别下具有良好的塑性和断裂韧性。该合金系在保证超高强的条件下，其塑性及断裂韧性均优异于Ti-1023合金，如表1所示。
表1Ti-Al-Cr-Fe-V系合金和Ti-1023合金性能对比
下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
实施例1
将市售的海绵钛、Al豆、Fe-68Cr中间合金、Fe-80V中间合金按表2中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为845±5℃。铸锭在相变点以上(950℃)开坯锻造，而多次降温至820℃镦粗拔长，累积变形量80％左右，制成一定规格的棒材。对棒材取样进行热处理，按照国标GB/T228.1-2010和GB4161-2007方法分别进行室温拉伸、断裂韧性测试，如表3所示为合金强度、塑性和韧性值：
表2实施例1中合金的配比成分
表3实施例1中合金性能
实施例2
将市售的海绵钛、Al豆、Fe-68Cr中间合金、Fe-80V中间合金按表4中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为845±5℃。铸锭在相变点以上(980℃)开坯锻造，而多次降温至750℃镦粗拔长，累积变形量70％左右，制成一定规格的棒材。对棒材取样进行热处理，按照国标GB/T228.1-2010和GB4161-2007方法分别进行室温拉伸、断裂韧性测试，如表5所示为合金强度、塑性和韧性值：
表4实施例2中合金的配比成分
表5实施例2中合金性能
实施例3
将市售的海绵钛、Al豆、Fe-68Cr中间合金、Fe-80V中间合金按表6中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为845±5℃。铸锭在相变点以上(1050℃)开坯锻造，而多次降温至800℃镦粗拔长，累积变形量90％左右，制成一定规格的棒材。对棒材取样进行热处理，按照国标GB/T228.1-2010和GB4161-2007方法分别进行室温拉伸、断裂韧性测试，如表7所示为合金强度、塑性和韧性值：
表6实施例3中合金的配比成分
表7实施例3中合金性能
实施例4
将市售的海绵钛、Al豆、Fe-68Cr中间合金、Fe-80V中间合金按表8中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为845±5℃。铸锭在相变点以上(1000℃)开坯锻造，而多次降温至770℃镦粗拔长，累积变形量85％左右，制成一定规格的棒材。对棒材取样进行热处理，按照国标GB/T228.1-2010和GB4161-2007方法分别进行室温拉伸、断裂韧性测试，如表9所示为合金强度、塑性和韧性值：
表8实施例4中合金的配比成分
表9实施例4中合金性能
实施例5
将市售的海绵钛、Al豆、Fe-68Cr中间合金、Fe-80V中间合金按表10中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为845±5℃。铸锭在相变点以上(970℃)开坯锻造，而多次降温至810℃镦粗拔长，累积变形量75％左右，制成一定规格的棒材。对棒材取样进行热处理，按照国标GB/T228.1-2010和GB4161-2007方法分别进行室温拉伸、断裂韧性测试，如表11所示为合金强度、塑性和韧性值：
表10实施例5中合金的配比成分
表11实施例5中合金性能

Claims (4)

1.一种高强高韧钛合金，其特征在于：该合金的重量百分比组成为：Al：2.5～4.0％，Fe：0.5～1.5％，V：2.0～6.0％，Cr:3.5～5.0％，余量为钛，其中V/Fe比在3.6～4.5之间。
2.根据权利要求1所述的高强高韧钛合金，其特征在于：所述的合金中，Al为2.5～2.8w％，Fe为0.8～1.2w％，V为2～4w％，Cr为3.5～4.2w％。
3.根据权利要求2所述的高强高韧钛合金，其特征在于：所述的合金中，Fe、V和Cr均采用中间合金的形式加入。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高强高韧钛合金的制备方法，包括如下步骤：采用海绵钛、Al豆、Fe-68Cr中间合金、Fe-80V中间合金配料，二次熔炼得到铸锭，铸锭在950℃～1050℃开坯锻造成棒坯，变形量为50～70％，降温至750℃～820℃镦粗拔长，累积变形量为70～90％，制成棒材；棒材进行固溶时效处理，在800℃～820℃固溶处理0.5～1.5小时，水冷后，550℃～600℃时效处理2～8小时。
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