CN106048307A

CN106048307A - 一种七元系两相钛合金

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Publication number: CN106048307A
Application number: CN201610695178.1A
Authority: CN
Inventors: 周廉; 赵永庆; 曲恒磊; 曾卫东; 朱宏康
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2016-08-20
Filing date: 2016-08-20
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2036-08-20
Also published as: CN106048307B

Abstract

本发明提供了一种七元系两相钛合金，以下质量百分比的成分组成：Al 6.0％～6.8％，Sn 1.5％～2.0％，Zr 1.1％～1.6％，Mo 1.2％～1.7％，Cr 0.5％～1.0％，Nb 1.1％～1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明钛合金满足合金设计的技术要求，属于人体亲和型的钛合金，能够在我国航空、航天领域广泛应用，如先进飞机机身承力结构件，飞机发动机压气机转子和静子，宇宙飞船结构件等，也可以应用于生物医用材料领域，如手术器械，人体植入材料等。

Description

一种七元系两相钛合金

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种七元系两相钛合金。

背景技术

目前世界上较为通用的两种钛合金是美国于1956年发明的Ti-6Al-4V合金和前苏联于1964年发明的Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V合金。Ti-6Al-4V合金的使用温度可达300℃～350℃，Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V合金的使用温度可达400℃～500℃。

Ti-6Al-4V合金具体可被细分为两种：一种是普通的Ti-6Al-4V合金，美国牌号Gr.5；另一种是损伤容限的Ti-6Al-4V ELI合金(ELI指超低间隙)，美国牌号Gr.23。普通的Gr.5合金的重量百分比的名义成分为：Al5.50％～6.75％，V 3.50％～4.50％，余量为Ti基体及不可避免的杂质。该合金杂质含量较高：Fe最大允许的重量百分比含量为0.30％，O为0.20％，H为0.015％，从而带来较高的冶金缺陷(如富氧夹杂)可能性、较低的塑性(实测延伸率有时仅有4％)以及较低的韧性(断裂韧性K_IC 40MPa√m～60MPa√m)，因而它在以安全为首要考虑因素的民用飞行器上的应用已受到限制。损伤容限的Gr.23合金的重量百分比的名义成分为：Al5.50％～6.50％，V 3.50％～4.50％，余量为Ti基体及不可避免的杂质。该合金通过对合金元素含量、尤其是杂质含量进行的较为严格的控制(Fe最大允许的重量百分比含量为0.25％，O为0.13％，H为0.0125％)，从而基本解决了普通Gr.5合金的低塑性和较低韧性的问题，因而它在先进民用飞行器上获得广泛应用。但是，Gr.23合金在拥有高损伤容限性能的同时，却使得该合金强度比Gr.5合金下降25MPa～50MPa，因此，它已经不能满足我国先进制造对强度和韧性兼备的设计要求。

Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V合金(俄罗斯牌号BT20)重量百分比的名义成分为：Al5.5％～7.0％，Zr 1.5％～2.5％，Mo 0.5％～2.0％，V 0.8％～2.0％，余量为Ti基体及不可避免的杂质。该合金通过对杂质含量的适当控制(Fe最大允许的重量百分比含量为0.25％，O为0.15％，H为0.015％)，从而保证了合金的塑性和韧性。与Ti-6Al-4V合金相比，BT20合金的强度高出50MPa以上，且该合金的使用温度可达400℃～500℃，因此BT20合金在前苏联和俄罗斯的飞机制造业获得重要应用。

我国在五十年前开始进行Gr.5合金的仿制与生产，目前产品性能水平基本可达到美国水平。我国在近二十年才开始有意识地开始Gr.23合金的仿制研究，实验室研究水平基本可达到美国四十年前的生产水平。我国在三十年前开始进行BT20合金的仿制研究。目前国产BT20合金的实验室研究及试生产研究水平可基本达到前苏联批量产品的性能水平。

随着我国装备制造业及生物医用制品业的发展，对钛合金材料提出了更高的要求，新型的具有优良综合力学性能、且与人体亲和性良好的结构钛合金的研发势在必行。目前现有的Ti-6Al-4V合金力学性能的匹配困难以及它与Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V合金因成分中均含有易氧化、不耐腐蚀、以及对人体有害的合金元素V，从而不能适应飞行器制造业或人体植入材料的发展需求。而且，我国对上述已有的Gr.5、Gr.23和BT20钛合金不拥有自主知识产权，这与走“独立自主”研发道路的发展方针有抵触。因此，研发新型的具有独立自主知识产权的高性能钛合金具有重要的意义。

世界上关于合金设计方法的研究由来已久。早期以经验的试错法为主，并延续至今。现代的合金设计理论自20世纪60年代以来发展迅速，如PHACOMP技术、固体与分子经验电子理论、d电子合金设计理论等。然而，由于现有合金设计理论与方法的复杂性以及实际运用的多变性，使得上述理论的应用受到限制。

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，提供一种七元系两相钛合金。本发明所设计的七元系两相钛合金满足合金设计的原定技术要求，属于人体亲和型的钛合金，能够在我国航空、航天领域广泛应用，如先进飞机机身承力结构件，飞机发动机压气机转子和静子，宇宙飞船结构件等，也可以应用于生物医用材料领域，如手术器械，人体植入材料等。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种七元系两相钛合金，其特征在于，该合金由以下质量百分比的成分组成：Al 6.0％～6.8％，Sn 1.5％～2.0％，Zr1.1％～1.6％，Mo 1.2％～1.7％，Cr 0.5％～1.0％，Nb1.1％～1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种七元系两相钛合金，其特征在于，该合金由以下质量百分比的成分组成：Al 6.3％～6.4％，Sn 1.7％～1.8％，Zr 1.3％～1.5％，Mo1.4％～1.5％，Cr 0.7％～0.8％，Nb 1.3％～1.4％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种七元系两相钛合金，其特征在于，该合金由以下质量百分比的成分组成：Al 6.38％，Sn 1.75％，Zr 1.35％，Mo 1.42％，Cr 0.77％，Nb 1.37％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本发明运用一种基于金属晶体结构基本理论发展而成的新型钛合金成分设计方法，对所要求的新型钛合金进行成分的定量设计。设计思路如下：

1.确定钛合金的设计要求：

本发明所设计的新型结构钛合金，应满足以下技术指标：①室温拉伸性能：抗拉强度R_m≥900MPa，屈服强度R_p0.2≥800MPa，延伸率A₅≥8％；②室温冲击韧性：α_ku≥30J/cm²；③室温平面应变断裂韧性：K_IC或K_Q≥75MPa√m；④室温疲劳裂纹扩展速率：当ΔK＝11MPa√m时，da/dN≤5.0×10^－5mm/cycle；⑤高温拉伸性能不低于Gr.5、Gr23和BT20钛合金；⑥新合金中不含对人体有害的合金元素。

2.对合金系进行选择：

根据合金设计要求，选择以下6种对人体无害的置换型合金元素：Al，Mo，Cr，Nb，Sn，Zr。其中元素Al为α型稳定元素，它对钛合金的强度、尤其是α相的强度提升有贡献；Mo、Cr和Nb均为β型稳定元素，它们可以提升β相的强度、并显著改善钛合金的热加工成形性；Sn和Zr为中性稳定元素，对提高钛合金的耐热性和韧性有帮助，并且可以协调钛合金中的α相与β相之间的变形。

3.对合金成分进行定量设计：

本发明运用发明人首先发现的晶体结构合金设计方法，对选定的钛合金系进行合金成分的定量设计，设计出新型的钛合金。

(1)晶体结构合金设计方法：

鉴于钛合金中存在密排六方hcp结构(α相)与体心立方结构bcc(β相)之间的同素异构转变，需要同时考虑置换合金元素在两相中的排布情况。为此，本合金设计方法定义了钛合金中的取值点分级：同时满足各相的置换法则且分别符合各自的最小结构单元对称性的量值被称为一级取值点；同时满足各相的置换法则但仅能符合一个或不超过(n-1)个相的最小结构单元对称性的量值被称为二级取值点；同时满足各相的置换法则但不符合任一个相的最小结构单元对称性的量值被称为三级取值点。

发明人研究发现，钛合金中的置换元素原子的一级取值点为 (最小结构单元限于2或3个晶胞)；二级取值点为(hcp中具有最小单元为1个晶胞的对称性)；三级取值点为等；其中n为自然数，且1≤n≤8。

运用以“最小结构单元均匀法则”为核心设计思想的晶体结构合金设计方法对结构钛合金进行成分设计。设计时，应优先考虑能够同时满足α相与β相的最小结构单元的原子占位及具有较高三维空间对称性的级别较高(级数较小)的取值点；具体地，还应考虑“择优占位”合金设计思路，即：对α稳定元素优先考虑其在α相中的均匀占位、对β稳定元素优先考虑其在β相中的均匀占位。

(2)七元系两相钛合金的成分确定：

运用晶体结构合金设计方法，对Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb七元合金系进行成分定量。根据现有钛合金的合金元素强化水平与掺杂程度，对Al元素，优先考虑α相的四级取值点对Sn、Zr、Mo、Cr、Nb等5种元素，优先考虑可同时满足α相与β相的置换法则的三级取值点即可得到该新型结构钛合金的原子百分比的合金化学成分：Ti-11.111Al-0.694Sn-0.694Zr-0.694Mo-0.694Cr-0.694Nb，余量Ti为85.419。将该合金的化学成分换算为重量百分比，该钛合金的典型化学成分为：Ti-6.38Al-1.75Sn-1.35Zr-1.42Mo-0.77Cr-1.37Nb，余量Ti(约86.96)。

上述成分为该钛合金的最佳成分设计。在此基础上，对合金成分的配比进行微调，并通过试验验证，最终划定该合金的成分范围(按质量百分比计)：Al 6.0％～6.8％，Sn1.5％～2.0％，Zr 1.1％～1.6％，Mo 1.2％～1.7％，Cr 0.5％～1.0％，Nb 1.1％～1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。优选地为：Al 6.3％～6.4％，Sn 1.7％～1.8％，Zr 1.3％～1.5％，Mo 1.4％～1.5％，Cr 0.7％～0.8％，Nb 1.3％～1.4％，余量为Ti和不可避免的杂质。

由上述合金设计过程可知，七元系两相钛合金在全α-Ti结构下，其最小晶体结构单元含有4个hcp晶胞(含有24个晶格原子)，在全β-Ti结构下，其最小晶体结构单元含有9个bcc晶胞(含有18个晶格原子)；当α-Ti与β-Ti同素异构转变发生完全时，遵循转变前后原子总数不变的规律，该钛合金的最小转变结构单元含有72个晶格原子，即12个hcp晶胞与36个bcc晶胞之间完成该合金的最小单元相变过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明所设计的七元系两相钛合金属于典型的(α+β)两相钛合金，其典型显微组织为粗网篮组织。经过计算，该钛合金的铝当量[Al]eq＝7.75，钼当量[Mo]eq＝3.09，β稳定系数K_β＝0.309。国内外相关专利检索表明，目前已有钛合金中没有该成分的钛合金。

(2)与现有的Gr.5合金相比，本发明所设计的七元系两相钛合金强度相当或稍优，但平面应变断裂韧性比Gr.5高出20MPa√m以上，疲劳裂纹扩展速率低1～2倍，使用温度高出50℃～100℃，且本发明所设计的七元系两相钛合金不含有害元素V而具有人体亲和性。

(3)与现有的Gr.23合金相比，本发明所设计的七元系两相钛合金韧性与之相当，但抗拉强度比Gr.23高出50MPa以上，使用温度高出100℃～150℃，且该钛合金不含有害元素V而具有人体亲和性。

(4)与现有的BT20合金相比，本发明所设计的七元系两相钛合金的力学性能与之相当，但该钛合金不含有害元素V而具有人体亲和性。

(5)本发明所设计的七元系两相钛合金满足合金设计的原定技术要求，属于人体亲和型的钛合金，可以在我国航空、航天领域广泛应用，如先进飞机机身承力结构件，飞机发动机压气机转子和静子，宇宙飞船结构件等，也可以应用于生物医用材料领域，如手术器械，人体植入材料等。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1七元系两相钛合金的金相显微组织图。

图2为本发明实施例1七元系两相钛合金的疲劳裂纹扩展速率da/dN-应力场强度因子ΔK曲线。

具体实施方式

本发明设计了一种新型的七元系两相钛合金，该合金由以下质量百分比的成分组成：Al 6.0％～6.8％，Sn 1.5％～2.0％，Zr 1.1％～1.6％，Mo 1.2％～1.7％，Cr 0.5％～1.0％，Nb 1.1％～1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。优选地，该合金由以下质量百分比的成分组成：Al 6.3％～6.4％，Sn 1.7％～1.8％，Zr 1.3％～1.5％，Mo 1.4％～1.5％，Cr0.7％～0.8％，Nb 1.3％～1.4％，余量为Ti和不可避免的杂质。最佳地，该合金由以下质量百分比的成分组成：Al 6.38％，Sn 1.75％，Zr 1.35％，Mo 1.42％，Cr 0.77％，Nb 1.37％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本发明七元系两相钛合金所涉及的原料包括0级海绵钛、纯铝(豆、条)、原子能级海绵锆、电解铬、Al-Sn中间合金、Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金等。本发明钛合金的具体制备过程为：采用0级海绵钛、纯合金元素及中间合金等原材料，按名义合金成分进行配料，在25kg真空自耗电弧炉上进行2次电弧熔炼，制得直径为150mm、重量为24kg的钛合金铸锭。该铸锭通过常规的电阻炉加热、空气锤开坯、后续锻造及轧制后，得到所需的棒材和板材。本发明钛合金满足以下技术指标：①室温拉伸性能：抗拉强度R_m≥900MPa，屈服强度R_p0.2≥800MPa，延伸率A₅≥8％；②室温冲击韧性：α_ku≥30J/cm²；③室温平面应变断裂韧性：K_IC或K_Q≥75MPa√m；④室温疲劳裂纹扩展速率：当ΔK＝11MPa√m时，da/dN≤5.0×10^－5mm/cycle；⑤高温拉伸性能不低于Gr.5、Gr23和BT20钛合金；⑥合金中不含对人体有害的合金元素。

实施例1

本实施例七元系两相钛合金的名义合金成分按重量百分比计为：Al6.38％，Sn1.75％，Zr 1.35％，Mo 1.42％，Cr 0.77％，Nb 1.37％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例七元系两相钛合金的制备方法为：采用0级海绵钛、纯合金元素及中间合金等原材料，按名义合金成分进行配料，在25kg真空自耗电弧炉上进行2次电弧熔炼，制得直径为φ150mm、重量为24kg的钛合金铸锭。

按国标GB/T 4698分析铸锭的化学成分，对本发明实施例1钛合金的实际成分按重量百分比的分析结果满足：6.0％～6.8％Al，1.5％～2.0％Sn，1.1％～1.6％Zr，1.2％～1.7％Mo，0.5％～1.0％Cr，1.1％～1.6％Nb，余量为Ti及不可避免的杂质，杂质中Fe<0.15％，O<0.15％，C<0.10％，N<0.08％，H<0.012％，其余杂质总量不超过0.30％，满足设计要求。用淬火金相法测定七元系两相钛合金的相变点，T_β＝995±5℃。运用常规加工技术，制得不同规格的棒材和板材，并采用不同的热处理工艺对加工材进行热处理。

本发明实施例1七元系两相钛合金合金力学性能为：七元系两相钛合金的力学性能实测结果以及与相关合金的对比实测数据如表1～表3所示。表1中，A棒为两相终锻的φ20mm棒材，B棒为β终锻的棒材，C棒为两相终锻的棒材，D板为两相终轧的δ16mm板材，E板为两相终轧的δ6mm板材；热处理制度为：①800℃/1hAC；②938±7℃/1hAC+550℃/8hAC；③1000℃/1hAC+550℃/8hAC；④1010℃/0.5hAC+745℃/2hAC；R指热加工状态，即未热处理态；RT指室温，RT＝25±5℃。表2～3中提及的对比合金材料的截面尺寸均在15mm～30mm之间。可见，七元系两相钛合金无论采用何种锻造、轧制和热处理方法，其力学性能均可达到技术指标的要求，并与现有同类型钛合金相比，具有一定的优越性。表明七元系两相钛合金的设计与实施是成功的。

表1七元系两相钛合金的室温力学性能

表2七元系两相钛合金与现有钛合金的室温损伤容限性能对比

表3七元系两相钛合金与现有钛合金的室、高温性能对比

由表1、表2、表3可知，本发明所新设计的钛合金性能可达到指标要求，室温、高温性能均优于Gr.5、Gr.23及BT20合金。

图1为本发明实施例1七元系两相钛合金的金相显微组织图。由图1可知，该钛合金为网篮状破碎的双态组织类型，初生α相呈白色短棒状，有利于强韧性的提高。

图2为本发明实施例1七元系两相钛合金的疲劳裂纹扩展速率da/dN-应力场强度因子ΔK曲线。由图2可知，该钛合金的疲劳裂纹扩展速率da/dN随着应力场强度因子ΔK的增加逐渐增大，并控制在指标范围内。

实施例2

本实施例七元系两相钛合金的名义合金成分按重量百分比计为：Al6.3％，Sn1.7％，Zr 1.5％，Mo 1.5％，Cr 0.7％，Nb 1.4％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例七元系两相钛合金的制备方法与实施例1相同。

经检测，本实施例所设计的七元系两相钛合金满足合金设计的原定技术要求，属于人体亲和型的钛合金，能够在我国航空、航天领域广泛应用，如先进飞机机身承力结构件，飞机发动机压气机转子和静子，宇宙飞船结构件等，也可以应用于生物医用材料领域，如手术器械，人体植入材料等。

实施例3

本实施例七元系两相钛合金的名义合金成分按重量百分比计为：Al6.4％，Sn1.8％，Zr 1.3％，Mo 1.4％，Cr 0.8％，Nb 1.3％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例七元系两相钛合金的制备方法与实施例1相同。

实施例4

本实施例七元系两相钛合金的名义合金成分按重量百分比计为：Al6.0％，Sn2.0％，Zr 1.6％，Mo 1.2％，Cr 0.5％，Nb 1.1％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例七元系两相钛合金的制备方法与实施例1相同。

实施例5

本实施例七元系两相钛合金的名义合金成分按重量百分比计为：Al6.8％，Sn1.5％，Zr 1.0％，Mo 1.7％，Cr 1.0％，Nb 1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例七元系两相钛合金的制备方法与实施例1相同。

本发明所设计的七元系两相钛合金满足合金设计的原定技术要求，属于人体亲和型的钛合金，能够在我国航空、航天领域广泛应用，如先进飞机机身承力结构件，飞机发动机压气机转子和静子，宇宙飞船结构件等，也可以应用于生物医用材料领域，如手术器械，人体植入材料等。

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

1.一种七元系两相钛合金，其特征在于，该合金由以下质量百分比的成分组成：Al6.0％～6.8％，Sn 1.5％～2.0％，Zr 1.1％～1.6％，Mo 1.2％～1.7％，Cr 0.5％～1.0％，Nb 1.1％～1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种七元系两相钛合金，其特征在于，该合金由以下质量百分比的成分组成：Al 6.3％～6.4％，Sn 1.7％～1.8％，Zr 1.3％～1.5％，Mo 1.4％～1.5％，Cr 0.7％～0.8％，Nb 1.3％～1.4％，余量为Ti和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的一种七元系两相钛合金，其特征在于，该合金由以下质量百分比的成分组成：Al 6.38％，Sn 1.75％，Zr 1.35％，Mo 1.42％，Cr 0.77％，Nb 1.37％，余量为Ti和不可避免的杂质。