CN105779818B - 一种高强高韧β型钛合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强高韧β型钛合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强高韧β型钛合金及其制备方法。该合金为Ti‑Al‑Fe‑V‑Cr‑Zr系合金，其中各组分的重量百分比为Al：2.5‑3.5％、Fe：0.85‑1.35％、V：3.5‑5.1％、Cr：1.0‑7.5％、Zr：0.75‑1.5％、O＜0.2％。其制备方法包括以下步骤：(1)采用钛、锆、铝、Fe‑Cr中间合金、Fe‑V中间合金为原料，按照各成分的重量百分比进行配料，熔炼，制成Ti‑Al‑Fe‑V‑Cr‑Zr合金铸锭；(2)合金铸锭在950℃‑1050℃开坯，变形量60％，经过多次降温至750℃‑820℃镦粗拔长，累积变形量80％，制成棒材；(3)将棒材在合金相变点以下20℃或40℃固溶1小时空冷后，550℃‑600℃时效6‑8小时。本发明在合金成分上选择添加Al、Fe、V、Cr和Zr元素，并且用Cr元素替代少量Fe和V元素，抑制β斑点的产生，并且以中间合金作为原料来降低合金成本。

Description

一种高强高韧β型钛合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强高韧β型钛合金及其制备方法。
背景技术
钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、良好的高低温性能和生物兼容性等特点，因此作为理想的结构材料和功能材料被大量应用于航空航天、舰船制造、石油化工、海洋工程、生物医学和建筑装饰等领域，且获得了良好的经济和社会效益。由于钛合金作为轻质结构材料，可以降低飞机自重、提高结构效益，因此航空工业是最早研制和应用钛合金的领域。随着航空工业对低密度、高强度材料的需求日益迫切，高强高韧钛合金应运而生，逐渐取代某些部位上的钢铁、铝合金等材料，成为宇航工业中大型结构件的理想材料。
Ti-1023合金是由美国Timet公司于1971年研制开发，并于1972年申请专利，其专利号：US3802877A，名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al，是迄今为止应用最为广泛的一种高强高韧近β型钛合金。Ti-1023合金经热处理强化其抗拉强度可达到965-1310MPa，断裂韧性可达到35-90MPa·m1/2，有较好的强度、塑性和韧性匹配关系。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。
BT22合金是前苏联航空材料研究院于20世纪70年代研制开发的一种高合金化、高强度近β型钛合金，名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。BT22合金在退火状态下，强度可达到1080MPa，经热处理强化该合金强度可达到1100～1300MPa，但很难进一步提高其强度。与Ti-1023合金相比，VT22合金Fe和V元素含量减少，通过添加Mo和Cr元素来提高合金淬透性，稳定β相。
VST5553合金是俄罗斯以VT22合金为基础上，减少Fe元素含量，提高Cr元素含量而研制开发的一种新型高强高韧亚稳β型钛合金，名义成分Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe。与Ti-1023和VT22合金对比，Ti-5553合金Fe含量较少，使合金偏析敏感度降低，但不降低强度，其强度高出Ti-1023合金约15％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强高韧β型钛合金，该合金的强度、塑性和韧性能够达到良好匹配。
本发明的另一目的在于提供一种所述高强高韧β型钛合金的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强高韧β型钛合金，该合金为Ti-Al-Fe-V-Cr-Zr系合金，其中各组分的重量百分比为Al：2.5-3.5％、Fe：0.85-1.35％、V：3.5-5.1％、Cr：1.0-7.5％、Zr：0.75-1.5％、O＜0.2％。
优选地，所述各组分的重量百分比满足：钼当量[Mo]eq＝0.67V+2.9Fe+1.6Cr＝12-13.5，且V/Fe＝3.6-5.1，Cr/Fe＝3-6，Fe+V+Cr+Zr＜12％。
一种所述高强高韧β型钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用钛、锆、铝、Fe-Cr中间合金、Fe-V中间合金为原料，按照各成分的重量百分比进行配料，熔炼，制成Ti-Al-Fe-V-Cr-Zr合金铸锭；
(2)合金铸锭在950℃-1050℃开坯，变形量60％，经过多次降温至750℃-820℃镦粗拔长，累积变形量80％，制成棒材；
(3)将棒材在合金相变点以下20℃-40℃固溶1小时空冷后，550℃-600℃时效6-8小时。
其中，所述熔炼可以采用真空自耗熔炼、凝壳炉熔炼、等离子束熔炼、电子束熔炼、悬浮炉熔炼中的一种或组合。
优选地，所述步骤(1)中的熔炼为将原料压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼。
本发明的优点在于：
(1)本发明根据钼当量对合金性能影响，设计了一种近β型钛合金，以应用技术成熟的合金系为基础研制开发新的合金，有助于提高合金应用前景。
(2)本发明在合金成分上选择添加Al、Fe、V、Cr和Zr元素，并且用Cr元素替代少量Fe和V元素，抑制β斑点的产生，并且以中间合金作为原料来降低合金成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
以0级海绵钛、Al豆、Fe-50Cr中间合金、Fe-80V中间合金为原料，按照表1中的成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，得到Ti-2.5Al-1.15Fe-4.1V-4.1Cr-0.75Zr合金铸锭。合金铸锭在1000℃开坯，变形量60％，采用多次降温至800℃镦粗拔长，累积变形量80％，制成900×75×35mm的方棒。用金相法测得合金的相变点为840-850℃。将方棒沿长度L方向取R7(试样标距直径d＝5mm)拉伸试样和紧凑拉伸试样(试样厚度B＝25mm)，按照表2中的热处理制度进行固溶时效处理。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，测定合金强度、塑性和断裂韧性。结果如表2所示，包括合金的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、延伸率A、断面收缩率Z和韧性值KIC。
表1 实施例1中合金的成分配比
合金元素 Al Fe V Cr Zr O Ti
合金含量(wt％) 2.5 1.15 4.1 4.2 0.75 0.12 Bal.
[Mo]eq＝0.67V+2.9Fe+1.6Cr＝12.8，V/Fe＝3.6，Cr/Fe＝3.7，Fe+V+Cr+Zr＝10.2。
表2 实施例1中方棒的力学性能
热处理制度 Rm/MPa Rp0.2/MPa A/％ Z/％ KIC/MPa·m1/2
800℃/1h/WQ+600℃/6h/AC 1268 1132 11.5 30.5 72
820℃/1h/WQ+600℃/6h/AC 1273 1184 11.0 31 78
实施例2
以0级海绵钛、Al豆、Fe-50Cr中间合金、Fe-80V中间合金为原料，按照表3中的成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，得到Ti-2.8Al-0.85Fe-4.3V-5.1Cr-1.1Zr合金铸锭。合金铸锭在1000℃开坯，变形量60％，采用多次降温至800℃镦粗拔长，累积变形量80％，制成900×75×35mm的方棒；用金相法测得合金的相变点为820-830℃。将方棒沿长度L方向取R7(试样标距直径d＝5mm)拉伸试样和紧凑拉伸试样(试样厚度B＝25mm)，按照表4中的热处理制度进行固溶时效处理。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，测定合金强度、塑性和断裂韧性。结果如表4所示。
表3 实施例2中合金的配比成分
合金元素 Al Fe V Cr Zr O Ti
合金含量(wt％) 2.8 0.85 4.3 5.1 1.1 0.18 Bal.
[Mo]eq＝0.67V+2.9Fe+1.6Cr＝13.5，V/Fe＝5.1，Cr/Fe＝6，Fe+V+Cr+Zr＝11.4。
表4 实施例2中方棒的力学性能
热处理制度 Rm/MPa Rp0.2/MPa A/％ Z/％ KIC/MPa·m1/2
790℃/1h/WQ+550℃/8h/AC 1219 1128 14.5 31.5 77
810℃/1h/WQ+550℃/8h/AC 1217 1134 11.5 32.5 82
实施例3
以0级海绵钛、Al豆、Fe-50Cr中间合金、Fe-80V中间合金为原料，按照表5中的成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，得到Ti-2.3Al-1.2Fe-4.7V-3.6Cr-1.3Zr合金铸锭。合金铸锭在1000℃开坯，变形量60％，采用多次降温至800℃镦粗拔长，累积变形量80％，制成900×75×35mm的方棒；用金相法测得合金的相变点为830-840℃。将方棒沿长度L方向取R7(试样标距直径d＝5mm)拉伸试样和紧凑拉伸试样(试样厚度B＝25mm)，按照表6中的热处理制度进行固溶时效处理，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，测定合金强度、塑性和断裂韧性。结果如表6所示。
表5 实施例3中合金的配比成分
合金元素 Al Fe V Cr Zr O Ti
合金含量(wt％) 2.3 1.2 4.7 3.6 1.3 0.16 Bal.
[Mo]eq＝0.67V+2.9Fe+1.6Cr＝12.4，V/Fe＝3.9，Cr/Fe＝3.0，Fe+V+Cr+Zr＝10.8。
表6 实施例3中方棒的力学性能
热处理制度 Rm/MPa Rp0.2/MPa A/％ Z/％ KIC/MPa·m1/2
790℃/1h/WQ+600℃/2h/AC 1170 1073 14.0 34.0 69
810℃/1h/WQ+600℃/2h/AC 1162 1094 13.0 42.5 73
实施例4
以0级海绵钛、Al豆、Fe-50Cr中间合金、Fe-80V中间合金为原料，按照表7中的成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，得到Ti-2.2Al-1.3Fe-4.8V-4.1Cr-0.8Zr合金铸锭。合金铸锭在1000℃开坯，变形量60％，采用多次降温至800℃镦粗拔长，累积变形量80％，制成900×75×35mm的方棒；用金相法测得合金的相变点为820-830℃。将方棒沿长度L方向取R7(试样标距直径d＝5mm)拉伸试样和紧凑拉伸试样(试样厚度B＝25mm)，按照表8中的热处理制度进行固溶时效处理，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，测定合金强度、塑性和断裂韧性。结果如表8所示。
表7 实施例4中合金的配比成分
合金元素 Al Fe V Cr Zr O Ti
合金含量(wt％) 2.2 1.3 4.8 4.1 0.8 0.15 Bal.
[Mo]eq＝0.67V+2.9Fe+1.6Cr＝13.5，V/Fe＝3.7，Cr/Fe＝3.2，Fe+V+Cr+Zr＝11.0。
表8 实施例4中方棒的力学性能
热处理制度 Rm/MPa Rp0.2/MPa A/％ Z/％ KIC/MPa·m1/2
790℃/1h/WQ+600℃/8h/AC 1129 1058 14.5 46.5 79
810℃/1h/WQ+600℃/8h/AC 1129 1064 18.5 49.5 87
实施例5
以0级海绵钛、Al豆、Fe-50Cr中间合金、Fe-80V中间合金为原料，按照表9中的成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，得到Ti-2.7Al-1.1Fe-4.5V-3.9Cr-1.34Zr合金铸锭。合金铸锭在1000℃开坯，变形量60％，采用多次降温至800℃镦粗拔长，累积变形量80％，制成900×75×35mm的方棒；用金相法测得合金的相变点为830-840℃。将方棒沿长度L方向取R7(试样标距直径d＝5mm)拉伸试样和紧凑拉伸试样(试样厚度B＝25mm)，按照表10中的热处理制度进行固溶时效处理，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，测定合金强度、塑性和断裂韧性。结果如表10所示。
表9 实施例5中合金的配比成分
合金元素 Al Fe V Cr Zr O Ti
合金含量(wt％) 2.7 1.1 4.5 3.9 1.34 0.17 Bal.
[Mo]eq＝0.67V+2.9Fe+1.6Cr＝12.4，V/Fe＝4.1，Cr/Fe＝3.5，Fe+V+Cr+Zr＝10.8。
表10 实施例5中方棒的力学性能
热处理制度 Rm/MPa Rp0.2/MPa A/％ Z/％ KIC/MPa·m1/2
790℃/1h/WQ+550℃/8h/AC 1268 1132 11.5 30.5 74
810℃/1h/WQ+550℃/8h/AC 1186 1100 13.5 22.0 81

Claims (5)

1.一种高强高韧β型钛合金，其特征在于，该合金为Ti-Al-Fe-V-Cr-Zr系合金，其中各组分的重量百分比为Al：2.5-3.5％、Fe：0.85-1.35％、V：3.5-5.1％、Cr：1.0-7.5％、Zr：0.75-1.5％、O＜0.2％，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的高强高韧β型钛合金，其特征在于，所述各组分的重量百分比满足：钼当量[Mo]eq＝0.67V+2.9Fe+1.6Cr＝12-13.5，且V/Fe＝3.6-5.1，Cr/Fe＝3-6，Fe+V+Cr+Zr<12％。
3.一种权利要求1所述高强高韧β型钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用钛、锆、铝、Fe-Cr中间合金、Fe-V中间合金为原料，按照各成分的重量百分比进行配料，熔炼，制成Ti-Al-Fe-V-Cr-Zr合金铸锭；
(2)合金铸锭在950℃-1050℃开坯，变形量60％，经过多次降温至750℃-820℃镦粗拔长，累积变形量80％，制成棒材；
(3)将棒材在合金相变点以下20℃-40℃固溶1小时空冷后，550℃-600℃时效6-8小时。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼采用真空自耗熔炼、凝壳炉熔炼、等离子束熔炼、电子束熔炼、悬浮炉熔炼中的一种或组合。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的熔炼为将原料压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼。
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