CN106191524A

CN106191524A - 一种Ti‑456钛合金及制备和应用

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Publication number: CN106191524A
Application number: CN201610764328.XA
Authority: CN
Inventors: 张忠世; 张桂艳; 张政宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Zhong Xin Hi Tech Material Ltd By Share Ltd
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2016-12-07

Abstract

本发明涉及钛合金，具体说是一种Ti456合金成分组成、制备方法及应用，按预算混料直接熔炼或制备电极、电极烘干、电极焊接、装炉、熔炼、冷却、出炉、车皮、取样分析；Ti456合金材料的应用领域：建筑材料、石油、天然气、煤炭勘探与开采、设备制造、航天航空、海洋工程等行业。本发明的优点:无磁性、晶粒细化、阻然性好、耐腐蚀、抗疲劳、强度高、密度小，均可用此钛合金加工锭材、板材、棒材、管材(焊管、无缝管)、丝材、铸件、锻件及加工件等，易于加工。

Description

一种Ti-456钛合金及制备和应用

技术领域

本发明涉及钛合金成分组成、制备方法及应用，具体地说是一种Ti456钛合金钛合金成分组成、制备方法及应用。

背景技术

随着钛合金的不断发展，越来越需求高强度和高韧性、阻燃的钛合金，一种钛合金Ti456在制备过程中，Al、V、Cu、金属元素及其化合物或其中间合金为配料直接加入钛里进行熔炼，避免了单纯的分别加入的繁琐性，避免了由于金属单质熔点不一致，所施加的熔炼电流忽高忽低，不容易控制的现象，这样钛合金的制备熔炼过程稳定，且成份不容易偏析；

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、适合于现代市场需求的易于加工锻造,阻燃效果好，均可用此合金加工锭材、板材、棒材、管材、丝材、铸件、锻件及加工件等。

如用此合金加工的板材、棒材、管材其性能中的抗拉强度高达800～1200MPa，延伸率10～20％的Ti456阻燃钛合金。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种Ti456钛合金，按重量百分比计合金组成为，Al(3～10)％,V(0.5～8)％,Cu(0.5～10)％，Si≤0.35％，Fe≤0.3％，C≤0.08％,N≤0.05％,H≤0.015％,O≤0.15％，Ti为余量。

强度较佳的合金组成为，Ti余量,Al(8)％,V(6)％,Cu(5)％，Si≤0.35％，Fe≤0.3％，C≤0.08％,N≤0.05％,H≤0.015％,O≤0.15％。

强度与塑性较佳的合金组成为，Ti余量,Al(5)％,V(3)％,Cu(5)％，Si≤0.35％，Fe≤0.3％，C≤0.08％,N≤0.05％,H≤0.015％,O≤0.15％。

塑性较佳的合金组成为，Ti余量,Al(3)％,V(1.5)％,Cu(2.5)％，Si≤0.35％，Fe≤0.3％，C≤0.08％,N≤0.05％,H≤0.015％,O≤0.15％。

所述Ti456钛合金的制备方法：

采用真空自耗电极电弧熔炼法，以海绵钛为主料，以中间合金配料；

1)制备合金包：将原料中间合金按所需比例采取层层铺料法，平摊于预定规格的铝箔中，并将其封好口压紧；

2)制备电极:按所需比例取海绵钛和合金包，将海绵钛分成份，首先平摊一层海绵钛，其上水平放1包合金包，然后每加一层海绵钛平摊后，水平放1包合金包，以此类推，最后在最上面平摊一层海绵钛，挤压成电极进行电弧熔炼。

所述熔炼技术参数:熔前真空度<3Pa，漏气率3分钟≤6Pa，熔炼真空度≤3Pa，熔炼电流及补缩电流10KA；

补缩孔电流调整：

经20～30分钟后调整为9.5KA，

再经30～40分钟后调整至9KA，

再经70～80分钟后调整至8KA，

再经10～20分钟后调整至7KA，

再经1～3分钟后调整至6KA，

再经1～3分钟后调整至5KA，

再经1～3分钟后调整至4KA，

再经1～3分钟后调整至3KA，

再经3～5分钟后调整至2.5KA，

再经5～8分钟后调整至2KA并保持15～20分。

本发明与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1.便于钛合金的制备。本发明配料以合金包的形式均匀加入海绵钛中，用真空自耗电弧炉熔炼钛合金电流易控制，电损耗小，成本低，方便了钛合金的制备。

2.成份均匀。按照本发明方法进行制备的Ti456钛合金成分均匀。合理的性能：

通过对阻燃钛合金材料的对比试验，传统的阻燃钛合金材料高温下塑性较差，开坯锻造容易开裂，而Ti456在锻造开坯温度950℃，保温120分钟，锻造开坯极易成型，表面无明显裂纹。

在其阻燃效果试验的对比，Ti456阻燃钛合金与传统阻燃材料的阻燃机理对比：

1、在Ti456阻燃合金内部合金与氧元素结合形成致密氧化膜，可以阻止氧元素向材料内部扩散，阻止燃烧。

2、Ti456阻燃合金导热性能良好，在将热量快速传送到周围环境或与其接触的物体上，避免局部过热。

3、Ti456阻燃合金因内部组成含有Cu元素，在Ti456阻燃合金作为转动部件时，摩擦高温时表面生成钛铜化合物，不仅吸收大量热能，而且降低摩擦系数，起到阻燃耐磨效果。

具体实施方式

本发明Ti456钛合金，通过合金组成、现有的设备、独特的操作方法和熔炼工艺就可以获得优质Ti456钛合金，下面通过实施例详述本发明。

实施例1

采用真空自耗电极电弧熔炼法：按常规步骤进行，首先制备中间合金，

其次按预算制备合金包、制备电极、电极烘干、电极焊接、装炉、真空自耗电极电弧熔炼、冷却、出炉、平头车皮、取样分析；.

具体制备过程如下：

1.制备合金包：按所需要产物中质量百分含量合金组成为，Ti余量,Al(5)％,V(3)％,Cu(5)％，采用层层铺料法,平摊于预定规格的铝箔中，并将其封好口压紧,贮存和运输要求水平；

2.制备电极：每节电极30kg，将海绵钛分成4份，加3包合金包(由Al、V、Cu颗粒混合而成)，每加一层海绵钛平摊后，水平放1包合金包，以此类推，挤压成电极；

3.电极烘干：挤压完的电极主要放在烘干室内进行烘干，烘干温度为50～60℃，以免电极受潮；

4.挤压完的电极水平摆齐纵向焊接，焊点要牢固且不得氧化成蓝色；

5.装炉：用起动吊车将焊好的电极装炉、封炉；

6.用真空自耗电极电弧炉进行熔炼，熔炼两次，熔炼技术参数:熔炼一次锭时，熔前真空度<3Pa，漏气率3分钟≤6Pa，熔炼真空度≤3Pa，熔炼电流5.0KA～6.0KA；熔炼二次铸锭时，熔前真空度<3Pa，漏气率3分钟≤6Pa，熔炼真空度≤3Pa，熔炼电流及补缩电流10KA；

补缩孔电流调整：

经20～30分钟后调整为9.5KA，

再经30～40分钟后调整至9KA，

再经70～80分钟后调整至8KA，

再经10～20分钟后调整至7KA，

再经1～3分钟后调整至6KA，

再经1～3分钟后调整至5KA，

再经1～3分钟后调整至4KA，

再经1～3分钟后调整至3KA，

再经3～5分钟后调整至2.5KA，

再经5～8分钟后调整至2KA并保持15～20分。

7.冷却出炉:熔炼完后铸锭要求冷却,冷却到200℃以下出炉,以免未冷却出炉的铸锭氧化而造成污染。

8.用车床平头且车掉表皮冷隔等缺陷；

9.用车床在铸锭头部及上、中、下分别取块状和屑状试样，送分析检测中心检测。

对从铸锭上、中、下三部分取样检测。成分分析结果如下表。

表1：实施例1成分分析表(％)

从上表可以看出，通过制备合金包和制备电极的方式以及采用真空自耗电极电弧熔炼法，通过工艺控制得到均匀的化学成分。

10.铸锭检验合格后，可以采用熔炼、机械加工、锻造、铸造、浇铸、热轧、连轧、冷轧、冷拔、挤压、旋压、顶管等方法制成锭材、板材、棒材、管材(焊管、无缝管)、丝材、铸件、锻件及加工件。

11、已管件为例，此钛合金无缝管加工方式有9种，

第一种是热穿孔后进行冷轧制成品，

第二种是热穿孔后进行冷拔、旋压制成品，

第三种是热穿孔后进行热轧制成品；

第四种是热穿孔、浇筑、挤压后热扎制再冷轧、冷拔、旋压制成品；

第五种是热穿孔后进行机加工所得到的成品管；

第六种是热挤压制备管坯后进行冷轧、冷拔、旋压制成品管；

第七种是热挤压制备管坯后直接机加工成品管；

第八种是热挤压制备管坯后，进行热轧加工成品管；

或，第九种浇筑管坯后进行，冷轧、冷拔、旋压、热轧、制成品。

(热轧包括：顶管、连轧等一切热轧方式)

12、由第一种制作方式举例说明，由Ti456棒坯装入箱式电阻炉升温加热900℃，保温60分钟，出炉热穿孔，规格为热穿孔后的管坯通过除氧化皮、退火等工序、进入轧制生产设备上进行冷轧制、3道次轧制总变形量为66％，轧制成品管规格为

成品管氧化退火780℃保温1小时炉内冷却，碱洗、酸洗、水洗、定尺下料、取样分析其力学性能实测如下。

表2：实施例1的力学性能表

抗拉强度	屈服强度	延伸率	冲击功
				1042MPa	986MPa	11％	30Kv8/J
1037MPa	986MPa	12％	32Kv8/J

结论：按Ti余量,Al(5)％,V(3)％,Cu(5)％配制的铸锭后续热加工与冷加工极易成型，其综合性能优异。

实施例2

与实施例1不同之处在于：制备合金包按所需要产物中质量百分含量Al(6)％,V(8)％,Cu(5)％，其中Al、V元素的含量高于实例1的Al(5)％,V(3)％,Cu(5)％。

相同之处在于：制备电极、电极烘干、电极焊接、装炉、真空自耗电极电弧熔炼、冷却、出炉、平头车皮、取样分析方式与方法。

对实施例2进行从铸锭上、中、下三部分取样检测。成分分析结果如下表。

表3：实施例2成分分析表(％)

与实施例1采用相同的，制备管的工艺由Ti456棒坯装入箱式电阻炉升温加热900℃，保温60分钟，出炉热穿孔，规格为热穿孔后的管坯通过除氧化皮、退火等工序、进入轧制生产设备上进行冷轧制、3道次轧制总变形量为66％，轧制成品管规格为

表4：实施例2力学性能表

抗拉强度	屈服强度	延伸率	冲击功
				1102MPa	996MPa	6％	17Kv8/J
1098MPa	996MPa	6％	15.6Kv8/J

结论：按Ti余量,Al(6)％,V(8)％,Cu(5)％配制的铸锭后续热加工与冷加工可以成型，其抗拉强度优异。

实施例3

与实施例1不同之处在于：制备合金包按所需要产物中质量百分含量Al(3)％,V(1.5)％,Cu(2.5)％，其中Al、V、Cu元素的含量低于实例1的Al(5)％,V(3)％,Cu(5),实例3低于实例2中Al、V、Cu元素的含量Al(8)％,V(6)％,Cu(5)％。

对实施例3进行从铸锭上、中、下三部分取样检测。成分分析结果如下表。

表5：实施例3成分分析表(％)

与实施例1、实例2采用相同的，制备管的工艺由Ti456棒坯装入箱式电阻炉升温加热900℃，保温60分钟，出炉热穿孔，规格为热穿孔后的管坯通过除氧化皮、退火等工序、进入轧制生产设备上进行冷轧制、3道次轧制总变形量为66％，轧制成品管规格为

成品管氧化退火780℃保温1小时炉内冷却，碱洗、酸洗、水洗、定尺下料、取样分析其力学性能实测见表6：

表6：实施例3力学性能表

抗拉强度	屈服强度	延伸率	冲击功
				895MPa	830MPa	16％	25Kv8/J
898MPa	835MPa	16％	27Kv8/J

结论：按Ti余量,Al(3)％,V(1.5)％,Cu(2.5)％配制的铸锭后续热加工与冷加工可以成型，其塑性优异。

对比例1Ti456钛合金熔炼成分均匀性对比

对比例1的成份按实例1的按所需要产物中质量百分含量合金组成为，Ti余量,Al(5)％,V(3)％,Cu(5)％，采用层层铺料法,平摊于预定规格的铝箔中，并将其封好口压紧,贮存和运输要求水平；

5.装炉：用起动吊车将焊好的电极装炉、封炉；

6.用真空自耗电极电弧炉进行熔炼，熔炼1次，熔炼技术参数:熔炼一次锭时，熔前真空度<3Pa，漏气率3分钟≤6Pa，熔炼真空度≤3Pa，熔炼电流6.0KA～8.0KA；熔炼电流及补缩电流10KA；

补缩孔电流调整：

经20～30分钟后调整为9.5KA，

再经30～40分钟后调整至9KA，

再经70～80分钟后调整至8KA，

再经10～20分钟后调整至7KA，

再经1～3分钟后调整至6KA，

再经1～3分钟后调整至5KA，

再经1～3分钟后调整至4KA，

再经1～3分钟后调整至3KA，

再经3～5分钟后调整至2.5KA，

再经5～8分钟后调整至2KA并保持15～20分。

8.用车床平头且车掉表皮冷隔等缺陷；

表7：对比例1的成分分析表(％)

对比例1名义成份Al(5)％,V(3)％,Cu(5)％(铸锭上部均匀性不好)

结论：对比例1的成份含量，按照实施例1的成份含量配置，在熔炼次数与熔炼电流上对比例1做调整为，熔炼电流6KA～8KA,熔炼次数为1次，在最终对比例1铸锭成份对比可以看出，Al，V，Cu元素在铸锭上部明显偏析。

对比例2与实施例1Ti456成份不同，后续加工方式相同，力学性能对比

对比例2的成份按所需要产物中质量百分含量合金组成为，Ti余量,Al(2)％,V(9)％,Cu(0.35)％，采用层层铺料法,平摊于预定规格的铝箔中，并将其封好口压紧,贮存和运输要求水平；

按实施例1的过程一样制备电极、电极烘干、电极焊接、装炉、真空自耗电极电弧熔炼、冷却、出炉、平头车皮、取样分析方式与方法。

对比例2进行从铸锭上、中、下三部分取样检测。成分分析结果如下。

表8：对比例2的成分分析表(％)

将对比例2制备的棒坯装入箱式电阻炉升温加热900℃，保温60分钟，出炉热穿孔，规格为热穿孔后的管坯通过除氧化皮、退火等工序、进入轧制生产设备上进行冷轧制、3道次轧制总变形量为66％，轧制成品管规格为

成品管氧化退火780℃保温1小时炉内冷却，碱洗、酸洗、水洗、定尺下料、取样分析其力学性能实测见下表

表9：对比例2的力学性能表

抗拉强度	屈服强度	延伸率	冲击功
				820MPa	720MPa	2.5％	15Kv8/J
818MPa	715MPa	2％	17Kv8/J

结论：按对比例2的成份配置的坯料，按实施例1的后续处理步骤制管，最终成品管的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功明显下降。

Claims

1.一种Ti456钛合金，其特征在于：按重量百分比计合金组成为，Al(3～10)％,V(0.5～8)％,Cu(0.5～10)％，Si≤0.35％，Fe≤0.3％，C≤0.08％,N≤0.05％,H≤0.015％,O≤0.15％，Ti为余量。

2.按照权利要求1所述Ti456钛合金组成，其特征在于：

按重量百分比计合金组成为，Ti余量,Al(6～10)％,V(4～8)％,Cu(3～6)％，Si≤0.35％，Fe≤0.3％，C≤0.08％,N≤0.05％,H≤0.015％,O≤0.15％；

按重量百分比计合金组成为,Ti余量,

Al(3～5)％,V(0.5～3.5)％,Cu(3～6)％,Si≤0.35％,Fe≤0.3％,C≤0.08％,N≤0.05％,H≤0.015％,O≤0.15％；

或，按重量百分比计合金组成为，Ti余量,

Al(3～5)％,V(0.5～3.5)％,Cu(1～3)％,Si≤0.35％,Fe≤0.3％,C≤0.08％,N≤0.05％,H≤0.015％,O≤0.15％。

3.一种权利要求1或2所述Ti456钛合金的制备方法，其特征在于：采用熔炼方法制备，熔炼技术参数:熔前控制熔炼炉真空度<3Pa,漏气率3分钟≤6Pa；熔炼真空度≤3Pa,熔炼电流及补缩电流2KA～10KA；制备过程:首先将颗粒状海绵Ti与金属Al、V和Cu的合金、金属元素及金属化合物中的一种或二种以上按所需要比例混合压成块状，制备成电极、电极烘干、电极焊接、装熔炼炉熔炼、冷却、出炉、车皮、取样分析。

4.按照权利要求3所述Ti456钛合金的制备方法，其特征在于：熔炼采用的设备为:真空感应炉、磁悬浮炉、真空自耗炉、电子束炉、等离子电弧炉、等离子感应炉、等离子电弧重熔炉或凝壳炉。

5.按照权利要求2、3或4所述Ti456钛合金的制备方法，其特征在于：

所述熔炼方法真空自耗电极电弧熔炼法，具体过程为，以海绵钛为主料，以Al、V、Cu金属元素以及其化合物或其中间合金中的一种或二种以上为配料；

1)制备配料合金包：按配料所需比例采取层层铺料法，将配料依次顺序平摊于预定规格的铝箔中，最后并将铝箔封好口压紧，形成配料合金包；

2)制备电极:按所需比例取颗粒状海绵钛和配料合金包，将海绵钛分成2份以上，首先平摊一层海绵钛，海绵钛上水平放1包合金包，然后于合金包上加一层海绵钛平摊，挤压成电极进行电弧熔炼；

若需要2个以上配料合金包时，于上层海绵钛上再水平放1包合金包，以此类推形成交替叠放的海绵钛层和合金包层，最后在最上面的合金包层上平摊一层海绵钛，挤压成电极进行电弧熔炼。

6.按照权利要求5所述Ti456钛合金的制备方法，其特征在于：所述熔炼技术参数:一次熔炼，熔前真空度<3Pa，漏气率3分钟≤6Pa，熔炼真空度≤3Pa，熔炼电流5.0KA～6.0KA；二次熔炼，熔前真空度<3Pa，漏气率3分钟≤6Pa，熔炼真空度≤3Pa，熔炼电流及补缩电流10KA；

补缩孔电流调整：

经20～30分钟后调整为9.5KA，

再经30～40分钟后调整至9KA，

再经70～80分钟后调整至8KA，

再经10～20分钟后调整至7KA，

再经1～3分钟后调整至6KA，

再经1～3分钟后调整至5KA，

再经1～3分钟后调整至4KA，

再经1～3分钟后调整至3KA，

再经3～5分钟后调整至2.5KA，

再经5～8分钟后调整至2KA并保持15～20分。

7.一种权利要求1或2所述Ti456钛合金的应用。

8.按照权利要求7所述Ti456钛合金的应用，其特征在于：所述Ti456钛合金可以采用熔炼、机械加工、锻造、铸造、浇铸、热轧、连轧、冷轧、冷拔、挤压、旋压、顶管方法中的一种或二种以上制成锭材、板材、棒材、管材(焊管、无缝管)、丝材、铸件、锻件及加工件中的一种或二种以上。

9.按照权利要求7所述Ti456钛合金的应用，其特征在于：所述Ti456钛合金可用于建筑材料、石油天然气勘探设备的制造材料、煤炭勘探与开采、设备制造的材料、航天航空材料或海洋工程材料等行业材料中。

10.按照权利要求7所述Ti456钛合金应用，其特征在于；所述Ti456钛合金可作为阻燃性材料和/或耐腐蚀材料，其抗冲击、无磁性、密度小、晶粒细、抗疲劳、强度高。