CN105821248A - 一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金 - Google Patents

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葛鹏
赵永庆
周伟
李倩
辛社伟
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Abstract

本发明提供了一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，由以下质量百分比的成分组成：Al 4.5％～5.5％，Mo 3％～5％，Cr 2％～4％，Co 1.5％～3％，Fe 0.6％～1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明钛合金含有少量同晶型β稳定元素，以共析型β元素Cr、Co和Fe作为主要β稳定元素，该高强钛合金的热加工性及淬透性优良，强度可在900MPa～1600MPa较宽范围内调整，具备良好的强塑性匹配，其成本相对同级别高强结构钛合金较低，满足多种应用领域对高强钛合金性能的要求。

Description

一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金
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，具体涉及一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金。
背景技术
现有的近β型及富β的两相高强钛合金中，常用的合金化方案为质量比3％～5％的α稳定元素Al加较多的同晶型β稳定元素V或Mo及少量的共析型β稳定元素Cr或Fe。典型合金如Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)、Ti-15-3(Ti-15V-3Sn-3Cr-3Al)、Ti-38644(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)、BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)及近几年获得应用的新型高强结构钛合金Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.4Fe)和Ti-55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)。一般来说，钛合金中添加同晶型β稳定元素所需的纯金属或中间合金价格远高于海绵钛，是影响其成本的关键因素。如果能用共析型β稳定元素取代同晶型β稳定元素成为钛合金中的主要强化元素，则可以有效降低钛合金的成本。然而除了Ti-6Al-1.7Fe等少量的近α型钛合金，高强钛合金中的β稳定化都不能采用纯粹的共析β元素，因为在没有同晶型β稳定元素存在的情况下，钛合金中过多的共析型β稳定元素存在将导致合金塑形的急剧降低，以至于无法应用。
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，提供一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，该钛合金含有少量同晶型β稳定元素，以共析型β元素Cr、Co和Fe作为主要β稳定元素，该高强钛合金的热加工性及淬透性优良，强度可在900MPa～1600MPa较宽范围内调整，具备良好的强塑性匹配，其成本相对同级别高强结构钛合金较低，满足多种应用领域对高强钛合金性能的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al4.5％～5.5％，Mo3％～5％，Cr2％～4％，Co1.5％～3％，Fe0.6％～1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质，该高强钛合金经退火处理后的室温抗拉强度为900MPa～1180MPa，经固溶时效处理后的室温抗拉强度为1200MPa～1600MPa，所述室温是指温度为10℃～35℃，所述共析型β稳定元素是指元素Cr、Co和Fe。
上述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al4.5％，Mo3％，Cr4％，Co1.5％，Fe1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Mo4％，Cr3％，Co3％，Fe0.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Mo3.5％，Cr3.5％，Co2％，Fe1.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5.5％，Mo4％，Cr3％，Co3％，Fe1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5.5％，Mo5％，Cr2％，Co2％，Fe0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Mo4％，Cr2.5％，Co2.5％，Fe1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，所述杂质包括O，所述高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
本发明含有共析型β稳定元素的高强钛合金的制备方法为钛合金的常规制备方法：首先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、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：本发明含有少量同晶型β稳定元素，以共析型β元素Cr、Co和Fe作为主要β稳定元素，本发明含有共析型β稳定元素的高强钛合金的热加工性及淬透性优良，强度可在900～1600MPa较宽范围内调整，具备良好的强塑性匹配，其成本相对同级别高强结构钛合金较低，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
本发明含有共析型β稳定元素的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al4.5％～5.5％，Mo3％～5％，Cr2％～4％，Co1.5％～3％，Fe0.6％～1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。所述共析型β稳定元素为Cr、Co和Fe。所述杂质包括O，所述高强钛合金中O的优选质量百分含量≤0.15％。所涉及的中间合金包括铝钼合金、钼粉、金属铬、金属钴、铬铁合金、铝豆等，所使用的海绵钛为0级或1级。制备本发明含有共析型β稳定元素的高强钛合金时，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1080℃～1180℃温度条件下开坯锻造，成品棒材锻造和板材及棒丝材轧制温度为820℃～890℃。钛合金成品经780℃～870℃退火，或780℃～870℃固溶+500℃～620℃时效处理后使用。本发明高强钛合金经退火处理后的室温拉伸性能为：σb:900～1180MPa，σ0.2:830～1100MPa，δ:13％～19％；经固溶时效处理后的室温拉伸性能为：σb:1200～1600MPa，σ0.2:1130～1540MPa，δ:7％～15％，所述室温是指温度为10℃～35℃。
实施例1
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al4.5％，Mo3％，Cr4％，Co1.5％，Fe1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中所述杂质包括O，所述高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金的制备方法为：根据本实施例钛合金的名义成分Ti-4.5Al-3Mo-4Cr-1.5Co-1.5Fe选用原料：铝钼合金、金属铬、金属钴、低碳铬铁、铝豆和0级海绵钛，然后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800℃退火处理后的室温性能为：σb:1080MPa，σ0.2:990MPa，δ:15％；经830℃固溶+540℃时效处理后的室温性能为：σb:1510MPa，σ0.2:1440MPa，δ:8％。
实施例2
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Mo4％，Cr3％，Co3％，Fe0.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中所述杂质包括O，所述高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金的制备方法为：根据本实施例钛合金的名义成分Ti-5Al-4Mo-3Cr-3Co-0.6Fe选用原料：铝钼合金、金属铬、金属钴、低碳铬铁、铝豆和0级海绵钛，然后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780℃退火处理后的室温拉伸性能为：σb:1180MPa，σ0.2:1100MPa，δ:16％；本实施例钛合金棒材经800℃固溶+500℃时效处理后的室温拉伸性能为：σb:1600MPa，σ0.2:1540MPa，δ:8％，疲劳强度900MPa(R＝0.1，cycles＝107)。
实施例3
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Mo3.5％，Cr3.5％，Co2％，Fe1.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中所述杂质包括O，所述高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金的制备方法为：根据本实施例钛合金的名义成分Ti-5Al-3.5Mo-3.5Cr-2Co-1.2Fe选用原料：金属铬、铝钼合金、低碳铬铁、铝豆、低碳铬铁和1级海绵钛，然后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，合金铸锭经三火次锻造，最终于850℃锻制成直径为50mm的钛合金圆棒。
本实施例钛合金棒材经860℃退火处理后的性能为：σb:900MPa，σ0.2:830MPa，δ:19％；本实施例钛合金棒材经860℃固溶+580℃时效处理后的性能为：σb:1470MPa，σ0.2:1400MPa，δ:10％。
实施例4
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al5.5％，Mo4％，Cr3％，Co3％，Fe1％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中所述杂质包括O，所述高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金的制备方法为：根据本实施例钛合金的名义成分Ti-5.5Al-4Mo-3Cr-3Co-1.0Fe选用原料：铝钼合金、金属铬、金属钴、低碳铬铁、铝豆和0级海绵钛，然后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
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al5.5％，Mo5％，Cr2％，Co2％，Fe0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中所述杂质包括O，所述高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金的制备方法为：根据本实施例钛合金的名义成分Ti-5.5Al-5Mo-2Cr-2Co-0.8Fe选用原料：铝钼合金、金属铬、金属钴、低碳铬铁、铝豆和0级海绵钛，然后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:1120MPa，σ0.2:1050MPa，δ:18％；本实施例钛合金棒材经830℃固溶+600℃时效处理后的是室温性能为：σb:1330MPa，σ0.2:1240MPa，δ:14％.
实施例6
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Mo4％，Cr2.5％，Co2.5％，Fe1％，余量为Ti和不可避免的杂质。本实施例中所述杂质包括O，所述高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
本实施例含有共析型β稳定元素的高强钛合金的制备方法为：根据本实施例钛合金的名义成分Ti-5Al-4Mo-2.5Cr-2.5Co-1.0Fe选用原料：铝钼合金、金属铬、金属钴、低碳铬铁、铝豆和0级海绵钛，然后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二次熔炼成合金铸锭，合金铸锭经四火次锻造，最终于860℃锻制成边长为100mm的钛合金方棒。
本实施例钛合金棒材经830℃退火处理后的室温性能为：σb:990MPa，σ0.2:910MPa，δ:18％；本实施例钛合金棒材经830℃固溶+620℃时效处理后的室温性能为：σb:1200MPa，σ0.2:1130MPa，δ:14％。
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 (8)

1.一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al4.5％～5.5％，Mo3％～5％，Cr2％～4％，Co1.5％～3％，Fe0.6％～1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质，该高强钛合金经退火处理后的室温抗拉强度为900MPa～1180MPa，经固溶时效处理后的室温抗拉强度为1200MPa～1600MPa，所述室温是指温度为10℃～35℃，所述共析型β稳定元素是指元素Cr、Co和Fe。
2.根据权利要求1所述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al4.5％，Mo3％，Cr4％，Co1.5％，Fe1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Mo4％，Cr3％，Co3％，Fe0.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Mo3.5％，Cr3.5％，Co2％，Fe1.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5.5％，Mo4％，Cr3％，Co3％，Fe1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5.5％，Mo5％，Cr2％，Co2％，Fe0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al5％，Mo4％，Cr2.5％，Co2.5％，Fe1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的一种含有共析型β稳定元素的高强钛合金，其特征在于，所述杂质包括O，所述高强钛合金中O的质量百分含量≤0.15％。
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