CN106191525A - 一种高强度耐腐蚀钛合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度耐腐蚀钛基合金，它的化学成分质量百分比为：Zr：5～20、Al：3.3～4.7、B：0.005余量为Ti元素和其他不可避免的杂质；该合金的制备方法主要是将上述原材料放入电弧熔炼炉中反复五遍熔炼成铸锭，将合金铸锭加热到890℃～930℃并保温0.5～1小时，进行多道次轧制变形，每道次轧制后，将其加热至相应的轧制温度，保温5～10分钟，直至轧制成5mm的合金板，其最终变形量为65％～70％；再进行固溶处理，固溶温度为最终轧制温度，保温1分钟后迅速放入水中进行淬火，待合金板冷却后取出，制得高强度耐腐蚀钛合金。本发明制备方法简单、生产成本低，制得的钛合金比传统钛合金的力学、耐腐蚀性能更加优异，更宜作为钛基合金结构材料。

Description

一种高强度耐腐蚀钛合金及制备方法

技术领域 本发明属于材料技术领域，特别涉及一种钛基合金及其制备方法。

背景技术 钛在地壳中的存量相对丰富，占地壳总重量的0.42％，分布范围广，含钛矿物多，随着冶炼技术的提高，其冶炼技术越来越成熟，提炼成本也日益降低。钛金属有两种晶型，在882℃时发生同素异构转变，由低温密排六方结构的α相转变为高温体心立方结构的β相。钛及钛合金是一种新型金属材料，在所有金属中有最高的比强度，且塑性优良，在氯酸盐、氯化物、硫酸盐、有机酸以及大部分碱性介质中具有优异的耐腐蚀性能，且具有优良的抗疲劳、抗蠕变和无磁性等特性，所以在其应用服役中，可减少维修成本、延长寿命周期，大大提高可靠性。钛及钛合金的其应用范围广泛，遍及海洋工程、航空航天、生物医学工程、冶金、化工、轻工等诸多领域。随着钛及钛合金被广发应用，如今工业的发展和服役的环境对钛合金性能提出了更苛刻的要求，传统钛合金在强度、抗腐蚀性能方面已经很难达到当下在工程应用的标准，而高强度钛合金是目前研究开发和应用的重点方向之一。

发明内容 本发明的目的是提供一种强度高、塑性好、耐腐蚀性能优异、制备成本低的高强度耐腐蚀钛合金及制备方法。本发明的钛合金的制备方法中，钛的α相为密排六方结构，滑移系较体心立方的β相少，表现为α相钛合金的强度比较高，Al是Ti基体的α相稳定元素，显著提高了钛合金高温β向低温α的转变温度，水淬热处理后获得的全部为在室温下稳定存在的α相。

本发明的高强度耐腐蚀钛合金为TiZrAlB系列，其化学成分质量百分比为：Zr：5～20、Al：3.3～4.7、B：0.005，余量为Ti元素和其他不可避免的杂质；所述硼为高纯硼；

上述高强度耐腐蚀钛合金的制备方法：

(1)铸锭：将上述钛、锆、铝原材料洗净干燥后，加入高纯硼，放入真空非自耗电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚内，铜坩埚内壁要预先做清洁处理并擦拭干净，避免带入其他杂质，炉腔内真空度为8×10^-3Pa以下，然后充入高纯氩气作为保护气体，并进行常规熔炼，铸锭要反复熔炼五遍，以确保成分均匀；

(2)热轧：轧制前将步骤(1)中的合金铸锭放入马弗炉中加热到890℃～930℃并保温0.5～1小时迅速取出在双辊轧机上进行轧制变形，轧制工艺采用多道次轧制变形，每道次的压下量为2mm，每道次轧制后，将其放入马弗炉中加热至相应的轧制温度，并保温5～10分钟，直至合金铸锭最终轧制成厚度为5mm的合金板，其最终变形量约为65％～70％；

(3)固溶处理：固溶温度为将步骤(2)最终轧制成5mm的合金板的轧制温度，保温1分钟，然后迅速放入室温水中进行淬火处理，待合金板完全冷却后取出，将制备出的合金板材表面的氧化皮打磨干净，并将其洗净，最终制得高强度耐腐蚀钛合金。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

1、制得的高强度耐腐蚀钛合金强度高、密度低、具有优异的耐腐蚀性能且塑性较好。

2、通过合金化，在基体钛中添加了元素Zr、元素Al和元素B，对相变温度影响不大的中性元素Zr与Ti形成无限固溶体，从而实现固溶强化，且Zr的致钝电位较Ti更负，即使在弱氧化条件环境中依然可以发生钝化，提高了表面生成致密氧化膜的能力，提升了其耐腐蚀性能；元素Al极大的提高了α相的稳定性和β-α转变温度，合金在淬火后获得的均为细小的α相，同时也可以使合金在一定程度上实现轻量化；微量元素B的添加也使晶粒得到细化。

3、制得的高强度耐腐蚀钛合金与相似的钛合金(Ti-4Al-0.005B)相比，抗拉强度提高了18％～67％，氯化钠中的抗腐蚀能力提高了7％～27％，两方面均得到了非常显著的提高。

4、成本低，操作过程简单。

附图说明

图1为本发明制得的高强度耐腐蚀钛合金的拉伸试样尺寸图。

图2是本发明实施例1制得的高强度耐腐蚀钛合金的金相光学显微图。

图3是本发明实施例2制得的高强度耐腐蚀钛合金的金相光学显微图。

图4是本发明实施例3制得的高强度耐腐蚀钛合金的金相光学显微图。

具体实施方式

实施例1

取工业级海绵钛91.695g、海绵锆5g、纯铝3.3g浸于无水乙醇中，超声波清洗后配入高纯硼0.005g，按合金成分Ti-5Zr-4Al-0.005B(质量百分比)配料，置入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，炉腔内的抽真空到8×10^-3Pa，引弧熔炼前充入高纯氩气作为保护气后方可进行常规熔炼，每次熔炼完毕后，对铸锭进行翻转处理，反复熔炼及翻转铸锭五次以上以保证最终获取的铸锭成分均匀；

将上述合金铸锭放入马弗炉中(KL-13、天津市凯恒电热技术有限公司)加热到930℃，保温0.5小时，迅速取出在双辊轧机(200型二辊轧机、燕山大学轧机研究所)上进行多道次轧制变形，每道次的压下量约为2mm，每道次轧制后，放入马弗炉重新加热至930℃并保温5分钟，合金铸锭最终轧制成厚度为5mm的合金板，其最终变形量达65％；轧制结束后，重新加热至930℃，保温1分钟，然后迅速在室温水中进行淬火处理，等合金板完全冷却后取出，细致的打磨掉合金板表面的氧化层，并将其洗净，制得高强度耐腐蚀钛合金。

用线切割将轧制完成的合金板切出如图1所示的拉伸试样，进行拉伸试验，由此获得其力学性能相关数据；再用制得的合金板用线切割切出尺寸为10mm*10mm*2mm的盐雾试验试样，每块合金板切出5个试样，确保实验的可重复性。以10mm*10mm面为被测试面，用酚醛塑料粉在金相试验镶嵌机(XQ-1、上海金相机械设备有限公司)中对其它非测试面进行密封处理，取出后将被测试面用砂纸打磨至3000#后进行抛光，然后清洗并吹干表面，以GB/T10125-1997为试验依据在浓度为5％的氯化钠溶液环境下进行中性盐雾试验，按照标准依次对试样清洗、称量、放置、观察和对盐雾试验机(BY-120A、北京博宇翔达仪器有限公司)进行维护、调整等，试验周期为1440个小时(两个月)，由此获得其腐蚀性能相关数据。

如图2所示，本实施例所制得的高强度耐腐蚀钛合金是由细小的板条状α相组成，与参考文献1中制得的钛合金(Ti-4Al-0.005B)相比，α相板条宽度减小很多。

使用型号为Instron 5982的万能材料试验机进行单轴拉伸测试(带引伸计)，拉伸速率设定为5×10^-4s^-1，其力学性能测试结果如表1所示，细小的板条状α相使得合金的强度得到了极大的改善，与参考文献1中的钛合金相比，抗拉强度提高了18.0％。抗腐蚀性能测试结果如表2所示，Zr含量的增加使其抗腐蚀性能更加优异，与参考文献1中的钛合金(Ti-4Al-0.005B)相比较，在氯化钠溶液中的抗腐蚀能力提高了7.30％。

实施例2

取工业级海绵钛85.995g、海绵锆10g、纯铝4g浸于无水乙醇中，超声波清洗后配入高纯硼0.005g，按合金成分Ti-10Zr-4Al-0.005B(质量百分比)配料，置入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，炉腔内的真空度要抽到7×10^-3Pa，引弧熔炼前充入高纯氩气作为保护气后方可进行常规熔炼，每次熔炼完毕后，对铸锭进行翻转处理，反复熔炼及翻转铸锭五次以上以保证最终获取的铸锭成分均匀；

将上述合金铸锭放入马弗炉中(KL-13、天津市凯恒电热技术有限公司)加热到910℃，保温45分钟，迅速取出在双辊轧机(200型二辊轧机、燕山大学轧机研究所)上进行多道次轧制变形，每道次的压下量约为2mm，每道次轧制后，放入马弗炉重新加热至910℃并保温8分钟，合金铸锭最终轧制成厚度为5mm的合金板，其最终变形量达67％；轧制结束后，重新加热至910℃，保温1分钟，然后迅速在室温水中进行淬火处理，等合金板完全冷却后取出，细致的打磨掉合金板表面的氧化层，并将其洗净，制得高强度耐腐蚀钛合金。

用线切割将轧制完成的合金板切出拉伸试样，进行拉伸试验，由此获得其力学性能相关数据；再用制得的合金板用线切割切出尺寸为10mm*10mm*2mm的盐雾试验试样，每块合金板切出5个试样，确保实验的可重复性。以10mm*10mm面为被测试面，用酚醛塑料粉在金相试验镶嵌机(XQ-1、上海金相机械设备有限公司)中对其它非测试面进行密封处理，取出后将被测试面用砂纸打磨至3000#后进行抛光，然后清洗并吹干表面，以GB/T 10125-1997为试验依据在浓度为5％的氯化钠溶液环境下进行中性盐雾试验，按照标准依次对试样清洗、称量、放置、观察和对盐雾试验机(BY-120A、北京博宇翔达仪器有限公司)进行维护、调整等，试验周期为1440个小时(两个月)，由此获得其腐蚀性能相关数据。

如图3所示，本实施例所制得的钛基合金是由细小的板条状α相组成，与参考文献1中制得的钛合金(Ti-4Al-0.005B)相比，α相板条宽度减小很多。

使用型号为Instron 5982的万能材料试验机进行单轴拉伸测试(带引伸计)，拉伸速率设定为5×10^-4s^-1，其力学性能测试结果如表1所示，细小的板条状α相使得合金的强度得到了极大的改善，与参考文献1中的钛合金相比，抗拉强度提高了33.6％。抗腐蚀性能测试结果如表2所示，Zr含量的增加使其抗腐蚀性能更加优异，与与参考文献1中的钛合金(Ti-4Al-0.005B)相比较，在氯化钠溶液中的抗腐蚀能力提高了17.16％。

实施例3

取工业级海绵钛76.695g、海绵锆20g、纯铝4.7g浸于无水乙醇中，超声波清洗后配入高纯硼0.005g，按合金成分Ti-20Zr-4Al-0.005B(质量百分比)配料，置入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，炉腔内的真空度要抽到6×10^-3Pa，引弧熔炼前充入高纯氩气作为保护气后方可进行常规熔炼，每次熔炼完毕后，对铸锭进行翻转处理，反复熔炼及翻转铸锭五次以上以保证最终获取的铸锭成分均匀；

将上述合金铸锭放入马弗炉中(KL-13、天津市凯恒电热技术有限公司)加热到890℃，保温1小时，迅速取出在双辊轧机(200型二辊轧机、燕山大学轧机研究所)上进行多道次轧制变形，每道次的压下量约为2mm，每道次轧制后，放入马弗炉重新加热至890℃并保温10分钟，合金铸锭最终轧制成厚度为5mm的合金板，其最终变形量达70％；轧制结束后，重新加热至890℃，保温1分钟，然后迅速在室温水中进行淬火处理，等合金板完全冷却后取出，细致的打磨掉合金板表面的氧化层，并将其洗净，制得高强度耐腐蚀钛合金。

用线切割将轧制完成的合金板切出拉伸试样，进行拉伸试验，由此获得其力学性能相关数据；再用制得的合金板用线切割切出尺寸为10mm*10mm*2mm的盐雾试验试样，每块合金板切出5个试样，确保实验的可重复性。以10mm*10mm面为被测试面，用酚醛塑料粉在金相试验镶嵌机(XQ-1、上海金相机械设备有限公司)中对其它非测试面进行密封处理，取出后将被测试面用砂纸打磨至3000#后进行抛光，然后清洗并吹干表面，以GB/T 10125-1997为试验依据在浓度为5％的氯化钠溶液环境下进行中性盐雾试验，按照标准依次对试样清洗、称量、放置、观察和对盐雾试验机(BY-120A、北京博宇翔达仪器有限公司)进行维护、调整等，试验周期为1440个小时(两个月)，由此获得其腐蚀性能相关数据。

如图4所示，本实施例所制得的钛基合金是由细小的板条状α相组成，与参考文献1中制得的钛合金(Ti-4Al-0.005B)相比，α相板条宽度减小了很多。

使用型号为Instron 5982的万能材料试验机进行单轴拉伸测试(带引伸计)，拉伸速率设定为5×10^-4s^-1，其力学性能测试结果如表1所示，细小的板条状α相使得合金的强度得到了极大的改善，与参考文献1中的钛合金相比，抗拉强度提高了67.5％。抗腐蚀性能测试结果如表2所示，Zr含量的增加使其抗腐蚀性能更加优异，与参考文献1中的钛合金(Ti-4Al-0.005B)相比较，在氯化钠溶液中的抗腐蚀能力提高了27.11％。

表1：本发明实施例1、2、3的力学性能测试及晶粒尺寸结果

表2：本发明实施例1、2、3的试验标准及盐雾试验测试结果

注：以下为参考文献1

1、廖强,谢文龙,曲恒磊,舒滢.热轧温度对TA5-A钛合金板材组织及拉伸性能的影响[J].材料热处理技术,2012,41(16):50-52.

Claims (3)

1.一种高强度耐腐蚀钛合金，其特征在于：它的化学成分质量百分比为：Zr：5～20、Al：3.3～4.7、B：0.005余量为Ti元素和其他不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀钛合金，其特征在于：所述硼为高纯度硼。

3.权利要求1的高强度耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：

(1)铸锭：将上述钛、锆、铝原材料清洗干燥后加入高纯硼，放入真空非自耗电弧熔炼炉中，将炉腔内的真空度抽到8×10^-3Pa以下，充入高纯氩气作为保护气体后开始熔炼，熔炼过程中，铸锭要反复熔炼五遍以上以确保成分均匀；

(2)热轧：轧制前将步骤(1)中的合金铸锭放入马弗炉中加热到890℃～930℃并保温0.5～1小时，迅速取出在双辊轧机上进行轧制变形，轧制工艺采用多道次轧制变形，每道次的压下量为2mm，每道次轧制后，将其放入马弗炉中加热至相应的轧制温度，并保温5～10分钟，直至合金铸锭最终轧制成厚度为5mm的合金板，其最终变形量约为65％～70％；

(3)固溶处理：固溶温度为将步骤(2)最终轧制成5mm的合金板的轧制温度，保温1分钟，然后迅速放入室温水中进行淬火处理，待合金板完全冷却后取出，将制备出的合金板材表面的氧化皮打磨干净，并将其洗净，最终制得高强度耐腐蚀钛合金。