CN106148761A - 一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金，涉及钛合金技术领域，按质量百分比计，其成分组成为：Al：4.0~8.0wt.%、Mo：0.3~6.0wt.%、V：0.3~6.0wt.%、Nb：0.3~5.0wt.%、Cr：0.3~6.0wt.%、Zr：0.3~5.0wt.%，且铝当量[Al]_当≥6，钼当量[Mo]_当≤8.0，余量为Ti，以及间隙元素和不可避免杂质元素，间隙元素为C、H、O和N，钛合金中全体元素的质量百分比总和为100%。本发明钛合金材料具有高强度、高冲击韧性、耐蚀可焊的综合性能，并且具有良好的冷热加工性能，可成型为锻件和厚板等。

Description

一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及用于船舶与海洋工程的钛合金，尤其是涉及一种新型高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、无磁等优异的性能，特别是在海水和酸性烃类化合物中具有良好的耐蚀性，是船舶与海洋工程特别是含盐环境优选的材料，因此，钛合金被誉为“海洋金属”。

随着我国海洋事业和海军的发展，海洋工程构件及舰船装备的不断更新，对钛合金材料强度、塑性和韧性等指标提出了更高的要求，如油井管、深潜器等水下耐压构件要求钛合金具有较高的强度和冲击韧性。目前，高强钛合金主要为α+β型、近亚稳β型和亚稳β型钛合金，一般通过锻造获得晶粒细小的组织，再通过进一步的固溶强化和时效等热处理工艺以改变组织中的α相的形态、种类、大小和体积分数等提高强度。国内外主要代表性的高强钛合金有Ti62222S、BT22、Ti1023、TC21和β21S等，这些合金强度较高，塑性和断裂韧性良好，但冲击韧性较低，不能满足海洋环境的特殊使用工况，如一些船舶发生海损事故的重要原因就是由于材料的脆性。另外，船舶及海洋工程用大型钛合金结构件需要焊接，现有的高强钛合金焊接性能较差，尤其焊接后热影响区的冲击韧性较低。因此，针对海洋环境使用工况，开发一种新型高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金就成了急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金，并且该合金具有良好的冷热加工性能，可成型为锻件和厚板等。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金，按质量百分比计，其成分组成为：Al：4.0~8.0wt.%、Mo：0.3~6.0wt.%、V：0.3~6.0wt.%、Nb：0.3~5.0wt.%、Cr：0.3~6.0wt.%、Zr：0.3~5.0wt.%，余量为Ti，以及间隙元素和不可避免杂质元素，间隙元素为C、H、O和N，钛合金中全体元素的质量百分比总和为100%。

所述钛合金中，α稳定元素和中性元素为Al和Zr，满足铝当量[Al]_当≥6，其中[Al]_当=%Al+%Zr/6，式中%表示钛合金中各元素的质量百分比。

所述钛合金中，β稳定元素为Mo、Nb、V和Cr元素，满足钼当量[Mo]_当≤8.0，其中[Mo]_当=%Mo+ %Nb/3.3+%V/1.4+%Cr/0.6，式中%表示钛合金中各元素的质量百分比。

所述O元素的质量百分比为0.02~0.15wt.%。

本发明的一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、合金成分配料：钒、钼和铌元素以铝钒、铝钼和铝铌中间合金的形式加入原料中，铝、锆和铬以纯金属的形式加入原料中，按所述配方，称重配料；

步骤二、铸锭熔炼：铸锭采用真空自耗电弧熔炼方法制备，预熔真空度为10^-2Pa，熔炼次数≥3次，将铸锭车皮、去缩口，然后进行开坯锻造；

步骤三、开坯锻造或铸造：铸锭经加热后在空气锤或压机上开坯，经多火次加工，在空气锤、水压机或挤压机设备上加工成板坯或锻件；

步骤四、板材轧制：采用冷热轧机将板坯或锻件轧制为不同厚度的宽幅板材。

有益效果：

本发明钛合金的强度和塑韧性匹配较好，并且具有良好的冷热加工性能，可成型为锻件和厚板等。

本发明的钛合金锻件、板材达到的材料性能如下：抗拉强度R_m≥1060MPa，屈服强度R_p0.2≥980MPa，延伸率A≥10%，冲击韧性Akv≥40J，断裂韧性K_IC≥80MPa•m^1/2，板材的纵横向性能差异不大于15%。

本发明的钛合金具有良好的焊接性能和耐海水腐蚀性能，焊接系数≥0.9，应力腐蚀断裂韧性K_ISCC≥65MPa•m^1/2。

本发明的钛合金在船舶和海洋工程等领域具有良好的技术应用与市场前景。

具体实施方式

本发明以下各实施例制备的钛合金材料的成分及性能如表1所示。

实施例1：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-2Nb -1.5Cr合金

按实施例1所列成分称量原料，将6.5wt.%的铝元素、2wt.%的锆元素、1.5wt.%的铬元素、3wt.%的钼元素、2wt.%的铌元素、2wt.%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例2：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-2Nb -0.3Cr合金

按实施例2所列成分称量原料，将6.5wt.%的铝元素、2wt.%的锆元素、0.3wt.%的铬元素、3wt.%的钼元素、2wt.%的铌元素、2wt.%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例3：Ti-6.5Al-0.3Mo -2V -2Zr-2Nb -1.5Cr合金

按实施例3所列成分称量原料，将6.5wt.%的铝元素、2wt.%的锆元素、1.5wt.%的铬元素、0.3wt.%的钼元素、2wt.%的铌元素、2wt.%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例4：Ti-6.5Al-3Mo -0.3V -2Zr-2Nb -1.5Cr合金

按实施例4所列成分称量原料，将6.5wt.%的铝元素、2wt.%的锆元素、1.5wt.%的铬元素、3wt.%的钼元素、2wt.%的铌元素、0.3wt.%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例5：Ti-6.5Al-3Mo -2V -0.3Zr-2Nb -1.5Cr合金

按实施例5所列成分称量原料，将6.5wt.%的铝元素、0.3wt.%的锆元素、1.5wt.%的铬元素、3wt.%的钼元素、2wt.%的铌元素、2wt.%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例6：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-0.3Nb -1.5Cr合金

按实施例6所列成分称量原料，将6.5wt.%的铝元素、2wt.%的锆元素、1.5wt.%的铬元素、3wt.%的钼元素、0.3wt.%的铌元素、2wt.%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例7：Ti-4Al-6Mo-6V-5Nb -6Cr–5Zr合金

按实施例7所列成分称量原料，将4wt.%的铝元素、5wt.%的锆元素、6wt.%的铬元素、6wt.%的钼元素、5wt.%的铌元素、6wt.%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例8：Ti-8Al-5Mo -3V -4Zr-4Nb -4Cr合金

按实施例8所列成分称量原料，将8wt.%的铝元素、4wt.%的锆元素、4wt.%的铬元素、5wt.%的钼元素、4wt.%的铌元素、3wt.%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例9：Ti-6.5Al-3Mo -2V -2Zr-3Nb -0.3Cr合金

按实施例9所列成分称量原料，将6.5wt.%的铝元素、2wt.%的锆元素、0.3wt.%的铬元素、3wt.%的钼元素、3wt.%的铌元素、2wt.%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

Claims (4)

1.一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金，其特征在于：按质量百分比计，其成分组成为：Al：4.0~8.0wt.%、Mo：0.3~6.0wt.%、V：0.3~6.0wt.%、Nb：0.3~5.0wt.%、Cr：0.3~6.0wt.%、Zr：0.3~5.0wt.%，余量为Ti，以及间隙元素和不可避免杂质元素，间隙元素为C、H、O和N，钛合金中全体元素的质量百分比总和为100%。

2.如权利要求1所述的一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金，其特征在于：所述钛合金中，铝当量[Al]_当≥6，其中[Al]_当=%Al+%Zr/6，式中%表示钛合金中各元素的质量百分比。

3.如权利要求2所述的一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金，其特征在于：所述钛合金中，钼当量[Mo]_当≤8.0，其中[Mo]_当=%Mo+ %Nb/3.3+%V/1.4+%Cr/0.6，式中%表示钛合金中各元素的质量百分比。

4.如权利要求1~3所述的一种高强度高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、合金成分配料：钒、钼和铌元素以铝钒、铝钼和铝铌中间合金的形式加入原料中，铝、锆和铬以纯金属的形式加入原料中，按所述配方，称重配料；

步骤二、铸锭熔炼：铸锭采用真空自耗电弧熔炼方法制备，预熔真空度为10^-2Pa，熔炼次数≥3次，将铸锭车皮、去缩口，然后进行开坯锻造；

步骤三、开坯锻造或铸造：铸锭经加热后在空气锤或压机上开坯，经多火次加工，在空气锤、水压机或挤压机设备上加工成板坯或锻件；

步骤四、板材轧制：采用冷热轧机将板坯或锻件轧制为不同厚度的宽幅板材。