CN105803262B - 一种含钨的高强钛合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含钨的高强钛合金，由以下质量百分比的成分组成：Al 4％～5.5％，Cr 3％～5％，Mo 2％～4％，W 2％～4.5％，Fe 0.2％～0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质，本发明含钨的高强钛合金热加工性优良，经退火后的室温抗拉强度可在860MPa～1500MPa的较宽范围内调整，并且具备良好的强塑性及强韧性匹配，满足多种应用领域对高强钛合金性能的要求。

Description

一种含钨的高强钛合金
技术领域
本发明属于钛合金材料技术领域，涉及一种多元强化的近β钛合金，具体涉及一种含钨的高强钛合金。
背景技术
β钛合金由于其优越的比强度等综合性能在航空工业中获得了越来越多的应用。上个世纪60年代，美国开发的高强β钛合金Ti-13V-11Cr-3Al成功用于SR-71侦察机。此后，美国开发的Ti-38644、Ti-1023、Ti-15-3、Ti-17以及前苏联开发的BT22为代表的高强β钛合金也获得了成熟应用。作为航空锻件应用时，这些合金一般用于1000MPa～1200MPa的强度水平，断裂韧性大多在45 MPa·m1/2～60MPa·m1/2之间。进一步提高强度将会使这些合金的塑性、韧性等性能明显恶化。最近几年，国外对具有更高强度水平的新型高强钛合金的研究非常重视。其代表性的合金是在BT22合金基础上改进设计的Ti-5553及Ti-55531合金。同Ti-1023及BT22合金相比，新合金硬化效应更高，且空气冷却即可获得高的淬透深度，适于制备高强大规格构件，其可用强度水平可达到1300MPa，但合金的韧性水平并没有明显提升。从现有的锻件用高强β钛合金看，这些合金通常在特定的组织状态下具有较优的性能。例如，当获得的是细小等轴状的α+转变β混合的双态组织时，拉伸塑性较好但韧性较差；而以β晶为基体在两相区析出α获得的针状或片状组织韧性较好但拉伸塑性较低。应用上则希望钛合金具备较好的强度、塑性及韧性的匹配，同时具有很宽的组织及性能可调性以满足不同领域不同服役状态的需求，然而现有的钛合金难以满足这种需求。
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，提供一种含钨的高强钛合金，该合金通过在Ti-Al-Mo-Cr合金体系中添加适量的元素W，其经退火后的抗拉强度为860MPa～1500MPa，且获得了强度、塑性、韧性的良好匹配，可调范围宽。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 4％～5.5％，Cr 3％～5％，Mo 2％～4％，W 2％～4.5％，Fe 0.2％～0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质，所述高强是指该钛合金经退火后的室温抗拉强度为860MPa～1500MPa，所述室温是指温度为10℃～35℃。
上述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Cr 5％，Mo 2％，W 3％，Fe 0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5.5％，Cr 4％，Mo 3％，W3.5％，Fe 0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al4％，Cr 4.5％，Mo 3.5％，W4.5％，Fe 0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al4.5％，Cr 3％，Mo 4％，W 4％，Fe 0.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5.5％，Cr 4％，Mo 4％，W 2％，Fe 0.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Cr 3.5％，Mo 4％，W 3％，Fe 0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，所述杂质包括O，所述杂质包括O，所述含钨的高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
本发明含钨的高强钛合金的制备方法是钛合金的制备常规方法：根据需要选择合适的中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极，经真空自耗电弧重熔法得到合金铸锭，合金铸锭在液压锻造机或锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造，可根据需要进行棒材锻造、板材轧制、管材挤压、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：
1、本发明钛合金通过在Ti-Al-Mo-Cr合金体系中添加元素W，其经退火后的抗拉强度为860MPa～1500MPa，且获得了强度、塑性、韧性的良好匹配，可调范围宽。
2、本发明钛合金的热加工性能优良，强度可在860MPa～1500MPa很宽范围内调整，具备良好的强塑性及强韧性匹配，满足多种应用领域对高强钛合金性能的要求。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
本发明含钨的高强钛合金，由以下质量百分比的成分组成：Al 4％～5.5％，Cr3％～5％，Mo 2％～4％，W 2％～4.5％，Fe 0.2％～0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述杂质包括O，O的优选质量百分含量≤0.15％。所涉及的中间合金包括金属铬、铝钼合金、钼粉、钨粉、铝钨合金、钨铁合金、铬铁合金、铝豆等，所使用的海绵钛为0级或1级。制备本发明钛合金时，首先根据需要选择合适的中间合金，将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极，用常规真空自耗电弧炉经二次或三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭在1050℃～1150℃温度条件下下开坯锻造，成品棒材锻造和板材轧制温度为800℃～870℃，管坯挤压温度为800℃～900℃。钛合金成品经770℃～860℃退火，或770℃～860℃固溶+480℃～580℃时效处理，或830℃～930℃β区退火缓慢冷却+500℃～580℃时效处理后使用。本发明钛合金退火处理后的室温拉伸性能为：σb:860～1500MPa，σ0.2:800～1080MPa，δ:13％～21％；合金固溶时效处理后的室温拉伸性能为：σb:1150～1500MPa，σ0.2:1030～1430MPa，δ:7％～15％；合金β退火冷却加时效处理后的室温拉伸性能为：σb:1030～1500MPa，σ0.2:970～1100MPa，δ:11％～15％，所述室温是指温度为10℃～35℃。
实施例1
本发明含钨的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al 5％，Cr 5％，Mo2％，W 3％，Fe 0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中，所述杂质包括O，且O的质量百分含量≤0.15％。
本发明含钨的高强钛合金的制备方法为：按本实施例钛合金的名义成分Ti-5Al-5Cr-2Mo-3W-0.8Fe选取原料：金属铬、钨铁、铝钼中间合金、铝豆和0级海绵钛；将各中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭经四火次锻造，最终于870℃锻制成边长为100mm的钛合金方棒。
本实施例钛合金棒材经850℃固溶+560℃时效处理后的室温性能为：σb:1410MPa，σ0.2:1340MPa，δ:9％，KIC:50MPa·m1/2；本实施例钛合金棒材经930℃退火缓慢冷却到500℃出炉后的室温性能为：σb:1030MPa，σ0.2:970MPa，δ:15％，KIC:100MPa·m1/2。
实施例2
本发明含钨的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al 5.5％，Cr 4.0％，Mo3％，W3.5％，Fe 0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中，所述杂质包括O，且O的质量百分含量≤0.15％。
本发明含钨的高强钛合金的制备方法为：按本实施例钛合金的名义成分Ti-5.5Al-4Cr-3Mo-3.5W-0.3Fe，选取原料：金属铬、铝钼中间合金、钨粉、低碳铬铁和0级海绵钛；将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭经三火次锻造，最终于830℃轧制成厚度为20mm的钛合金板材。
本实施例钛合金板材经860℃退火处理后的性能为：σb:860MPa，σ0.2:800MPa，δ:21％；本实施例钛合金板材经860℃固溶+580℃时效处理后的性能为：σb:1470MPa，σ0.2:1400MPa，δ:10％。
实施例3
本发明含钨的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al 4％，Cr 4.5％，Mo3.5％，W4.5％，Fe 0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中，所述杂质包括O，且O的质量百分含量≤0.15％。
本发明含钨的高强钛合金的制备方法为：按本实施例钛合金的名义成分Ti-4Al-4.5Cr-3.5Mo-4.5W-0.2Fe，选取原料：金属铬、铝钼合金、钨粉、铝豆、低碳铬铁和1级海绵钛；将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭经三火次锻造，最终于800℃轧制成直径为12mm的钛合金圆棒。
本实施例钛合金棒材经770℃退火处理后的室温拉伸性能为：σb:1050MPa，σ0.2:970MPa，δ:17％；本实施例钛合金棒材经770℃固溶+480℃时效处理后的室温拉伸性能为：σb:1500MPa，σ0.2:1430MPa，δ:9％，疲劳强度860MPa(R＝0.1，cycles＝107)。
实施例4
本发明含钨的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al 4.5％，Cr 3.0％，Mo4％，W 4％，Fe 0.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中，所述杂质包括O，且O的质量百分含量≤0.15％。
本发明含钨的高强钛合金的制备方法为：按本实施例钛合金的名义成分Ti-4.5Al-3Cr-4Mo-4W-0.6Fe，选取原料：金属铬、铝钼合金、钨铁合金、钨粉、铝豆和0级海绵钛；将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭经四火次锻造，最终于830℃挤压成厚度为10mm的钛合金管材。
本实施例钛合金管材经800℃退火处理后的性能为：σb:1030MPa，σ0.2:950MPa，δ:18％；本实施例钛合金管材经830℃固溶+550℃时效处理后的性能为：σb:1390MPa，σ0.2:1310MPa，δ:8％。
实施例5
本发明含钨的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al 5.5％，Cr 4％，Mo4％，W 2％，Fe 0.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中，所述杂质包括O，且O的质量百分含量≤0.15％。
本发明含钨的高强钛合金的制备方法为：按本实施例钛合金的名义成分Ti-5.5Al-4Cr-4Mo-2W-0.6Fe，选取原料：金属铬、铝钼合金、钨铁合金、铝豆和0级海绵钛；将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经二次熔炼成合金铸锭，合金铸锭经三火次锻造，最终于830℃轧制成直径为15mm的钛合金圆棒。
本实施例钛合金棒材经830℃退火处理后的室温性能为：σb:1500MPa，σ0.2:1080MPa，δ:13％；本实施例钛合金棒材经830℃固溶+540℃时效处理后的是室温性能为：σb:1480MPa，σ0.2:1410MPa，δ:9％，剪切强度840MPa.
实施例6
本发明含钨的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al 5％，Cr 3.5％，Mo4％，W 3％，Fe 0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中，所述杂质包括O，且O的质量百分含量≤0.15％。
本发明含钨的高强钛合金的制备方法为：按本实施例钛合金的名义成分Ti-5Al-3.5Cr-4Mo-3W-0.8Fe，选取原料：金属铬、铝钼、钨铁、铝豆和0级海绵钛；将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经二次熔炼成合金铸锭，合金铸锭经四火次锻造，最终于840℃锻制成直径为150mm的钛合金圆棒。
本实施例钛合金棒材经830℃固溶+550℃时效处理后的室温性能为：σb:1350MPa，σ0.2:1270MPa，δ:8％，KIC:60MPa·m1/2；本实施例钛合金棒材经870℃退火缓慢冷却700℃出炉后加500℃时效处理后的室温性能为：σb:1500MPa，σ0.2:1100MPa，δ:11％，KIC:76MPa·m1 /2。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。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、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 4％～5.5％，Cr 3％～5％，Mo 2％～4％，W 2％～4.5％，Fe 0.2％～0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质，所述高强是指该钛合金经退火后的室温抗拉强度为860MPa～1500MPa，所述室温是指温度为10℃～35℃；所述杂质包括O，所述含钨的高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
2.根据权利要求1所述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 5％，Cr 5％，Mo 2％，W 3％，Fe 0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 5.5％，Cr 4％，Mo 3％，W3.5％，Fe 0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 4％，Cr 4.5％，Mo 3.5％，W4.5％，Fe 0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 4.5％，Cr 3％，Mo 4％，W 4％，Fe 0.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 5.5％，Cr 4％，Mo 4％，W 2％，Fe 0.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的一种含钨的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 5％，Cr 3.5％，Mo 4％，W 3％，Fe 0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。
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