CN106521236A - 一种含Fe的低成本近β型高强钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种含Fe的低成本近β型高强钛合金，其特征在于，所述钛合金中所含合金元素重量百分比为：Al：2.5％～5.5％；Fe：0.5～2.2％；Mo：4.7％～5.7％；Cr：3.5％～4.5％；Zr：1.5％～3.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。该钛合金在保证合金力学性能的基础上，用Fe、Al、Zr等廉价元素代替V等昂贵元素，大大降低了钛合金的成本。
Description
技术领域
本申请涉及一种含Fe的低成本近β型高强钛合金，属于金属材料的制备加工领域。
背景技术
现有技术已知，钛及钛合金属于高强耐蚀轻质合金，同时它们还具有良好的耐高温和耐低温性能，因此，钛及钛合金被广泛应用于航空航天、石油化工和船舶装备等领域。而β型钛合金由于其具有高强度和高韧性，提供了钛合金中最高的比强度，因此在某些应用如大型飞机起落架、结构件等方面，β钛合金占有相当大的份额。
目前广泛应用的商业β钛合金有VT22、Ti-15-3、Ti-10-2-3、β21S等，这些合金中都加入了一定含量的V元素(其中VT22中5％的V、Ti-15-3中15％的V、Ti-10-2-3中10％的V)或大量的难熔元素Mo(β21S中15％的Mo)，使得上述β钛合金加工起来更加困难、成本大大升高。
专利号为200710018529.6、名称为“一种高强高韧钛合金”的专利中的公开了一种高强高韧钛合金，合金名义成分为Ti-4Al-6V-6Cr-5Mo，该合金的抗拉强度≥1200MPa，断裂韧性KIC≥65MPa·m1/2。但是，由于合金中加入了4～8％的V，使得该钛合金的制造成本显著提高。
专利号为201010141057.5、名称为“β钛合金及其制备方法”的专利中公开了一种β钛合金，该钛合金的组成为：铁0.5～2.5％，铝1.5～3.5％，铬2～4％，铌6～11％，其中的百分含量为质量百分比。实验结果表明：该钛合金固溶态的室温拉伸强度为850MPa以上，延伸率为15％以上；时效态的室温拉伸强度1300MPa以上，延伸率为4％以上。但由于其中加入了6～11％的Nb元素，Nb元素价格高且较难熔，无疑提高了该钛合金的成本。
专利号为201110117619.7、名称为“一种近β型高强钛合金”的专利公开了一种近β高强钛合金，该钛合金各组成元素的重量百分比为：Al：2.5％～3.5％，V：2.8％～3.5％，Mo：2.9％～4.5％，Cr：1.5％～2.9％，Zr：4.1％～6％，Sn：2％～4％，Fe：1％～2％。该钛合金维持了近β型钛合金良好的力学性能，只加入了少量昂贵元素V，在一定程度上降低了合金的生产成本，然而，该合金中包含了Ti、Al、V、Mo、Cr、Zr、Sn、Fe等八种元素，使得合金的冶炼的成本提高，而且其成分均匀性也难以得到保证。
因此，为了克服现有技术所存在的上述缺陷，特提出本申请。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种含Fe的低成本近β型高强钛合金，该钛合金在保证合金力学性能的基础上，用Fe、Al、Zr等廉价元素代替V等昂贵元素，大大降低了钛合金的成本。
一种含Fe的低成本近β型高强钛合金，其特征在于，所述钛合金中所含合金元素重量百分比为：Al：2.5％～5.5％；Fe：0.5～2.2％；Mo：4.7％～5.7％；Cr：3.5％～4.5％；Zr：1.5％～3.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
优选地，所述钛合金中所含的合金元素重量百分比为：Al：3％～5％；Fe：0.5～2.2％；Mo：5％；Cr：4％；Zr：2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
优选地，所述不可避免的杂质包括：C≤0.05％；N≤0.04％；H≤0.01％；O≤0.15％，其他杂质单元素含量均≤0.01％，总杂质含量≤0.3％，所述百分比为重量百分比。
优选地，所述钛合金中，铝当量[Al]eq≤8.5，钼当量[Mo]eq为11～20；
[Al]eq计算公式如下：
[Al]eq＝％Al+％Zr/6；
[Mo]eq计算公式如下：
[Mo]eq＝％Mo+％Cr/0.63+％Fe/0.35；
Kβ＝CMo/10+CFe/5+CCr/7，其值为1.13～1.65。
根据本申请的又一个方面，提供了一种含Fe的低成本近β型高强钛合金的制备方法。
一种含Fe的低成本近β型高强钛合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按所述钛合金各成分含量计算出所需海绵钛、Al-Mo中间合金、单质铁、电解铬和海绵锆的量，并按照计算结果进行称量，得到称量好的原料；
(2)将称量好的原料放入真空悬浮熔炼炉中，抽真空，随后充入氩气作为保护气体，在1700℃～1800℃进行首次熔炼，得到铸锭粗品；
(3)待步骤(2)所得的铸锭粗品冷却后，将所述铸锭倒置，进行二次熔炼，二次熔炼的温度与时间与第一次相同；如此反复熔炼多次，得到铸锭精品；
(4)对步骤(3)所得的铸锭精品进行开坯锻造，得到大尺寸锻件；
(5)对步骤(4)所得的大尺寸锻件进行二次锻造，得到板材或棒材；
(6)将步骤(5)所得的板材或棒材取样后进行固溶热处理，空冷，然后进行时效热处理，空冷，得到所述的含Fe的低成本近β型高强钛合金。
优选地，所述步骤(2)具体包括：
将称量好的原料放入真空悬浮熔炼炉中，抽真空到5×10-3Pa以下，随后充入氩气作为保护气体，在1700℃～1800℃左右进行首次熔炼10min；得到铸锭粗品。
优选地，充入氩气至0.5～0.7×105Pa后再进行首次熔炼。
优选地，步骤(3)中，熔炼的次数为2-4次。
优选地，所述的熔炼次数为3次。
优选地，所述步骤(4)具体包括：
将铸锭精品去头和尾，在1000℃～1100℃开坯锻造成Φ40mm短棒坯或厚板，变形量为50-70％，破碎粗大原始晶粒；随后在800℃～900℃二次锻造成Φ20mm棒材或板材。
优选地，所述步骤(5)具体包括：
对棒材在760-790℃进行固溶热处理1.5h；空冷；然后在580℃进行时效热处理8h，空冷。
与现有的近β型钛合金相比，本申请的有益效果是：
(1)本申请所提供的含Fe的低成本近β型高强钛合金，其合金元素重量百分比为：Al：2.5％～5.5％；Fe：0.5～2.2％；Mo：4.7％～5.7％；Cr：3.5％～4.5％；Zr：1.5％～3.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。由此可见，该钛合金避免使用价格昂贵的V，而是用其它廉价一些的元素代替，如Fe、Al、Zr，其中Al是很强的钛合金α稳定元素，增加原子间结合力使晶粒细化，提高强度；Fe是极强的β稳定元素，价格低廉，有很好的固溶强化作用，并且Fe的加入可以显著加快合金的时效响应速度；Mo是常用的β稳定元素，可以减小原子扩散速率，改善蠕变强度；Cr也是极强的β稳定元素，以置换方式熔于β相中，起固溶强化的作用；Zr是钛合金中性元素，在Ti中有很大的溶解度，起补充强化的作用。本申请中，通过以上各元素的合适的配比，使所得到的钛合金的强度得到了保证，而钛合金的生产成本得到了大大地降低。
(2)本申请所提供的近β型钛合金的强度高。拉伸实验结果表明，本申请的近β型钛合金，其拉伸强度Rm在1240MPa以上，伸长率A在7％以上，断面收缩率Z在12％以上，且组织均匀，是一种综合性能优异的近β型钛合金。
(3)本申请所提供的近β型钛合金的制备方法，简单易行，可操作性强。
附图说明
图1为实施例2中所提供的近β型钛合金的显微组织图
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
本申请的所提供的低成本近β钛合金，采用0级海绵钛、铁单质、Al-Mo中间合金、电解铬和海绵锆为原料。
实施例1
本实施例钛合金名义成分Ti-4Al-5Mo-2Fe-4Cr-2Zr，按重量百分比配比为Al：4％、Mo：5％、Fe：2％、Cr：4％、Zr：2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
将原料海绵钛、Al-Mo中间合金、单质铁、电解铬和海绵锆放入真空悬浮熔炼炉，抽真空到5×10-3Pa以下，随后充入0.5×105Pa的高纯氩气(纯度99.999％)保护气体，在1700℃～1800℃进行首次熔炼10min，得到铸锭粗品。
待合金冷却后，打开炉门，将铸锭粗品倒置，进行二次熔炼使合金元素充分溶解，其中二次熔炼的温度和时间与第一次相同，如此反复熔炼3次，保证组织均匀，铸锭为80mm圆锭，即为铸锭精品。
将铸锭精品去头、尾，在1000℃～1100℃开坯锻造成Φ40mm短棒坯或厚板，变形量60％左右，破碎粗大原始晶粒。随后在800℃～900℃二次锻造成Φ20mm棒材或板材。
对Φ20mm棒材进行790℃，1.5h的固溶热处理，空冷；580℃，8h的时效热处理，空冷。
对热处理后合金进行力学性能测试，按国家GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》测得结果如表1
表1实施例1中合金室温力学性能
实施例2
本实施例钛合金名义成分Ti-5Al-5Mo-2Fe-4Cr-3Zr，按重量百分比配比为Al：5％、Mo：5％、Fe：2％、Cr：4％、Zr：3％，余量为Ti和不可避免的杂质。
将原料海绵钛、Al-Mo中间合金、单质铁、电解铬和海绵锆放入真空悬浮熔炼炉，抽真空到5×10-3Pa以下，随后充入0.7×105Pa的高纯氩气(纯度99.999％)保护气体，在1700℃～1800℃左右进行首次熔炼10min，得到铸锭粗品。
待合金冷却后，打开炉门，将铸锭粗品倒置，进行二次熔炼使合金元素充分溶解，其中二次熔炼的温度和时间与第一次相同，如此反复熔炼3次，保证组织均匀，铸锭为80mm圆锭，即为铸锭精品。
将铸锭精品去头、尾，在1000℃～1100℃开坯锻造成Φ40mm短棒坯，变形量60％左右，破碎粗大原始晶粒。随后在800℃～900℃二次锻造成Φ20mm棒材。
对Φ20mm棒材进行760℃，1.5h的固溶热处理，空冷；580℃，8h的时效热处理，空冷。
由图1可以看出，所提供的近β型钛合金，组织均匀；再对热处理后合金进行力学性能测试，按国家GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》测得结果如表2
表2实施例2中合金室温力学性能
实施例3
本实施例钛合金名义成分Ti-3Al-5Mo-0.5Fe-4Cr-2Zr，按重量百分比配比为Al：3％、Mo：5％、Fe：0.5％、Cr：4％、Zr：2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
将原料海绵钛、Al-Mo中间合金、单质铁、电解铬和海绵锆放入真空悬浮熔炼炉，抽真空到5×10-3Pa以下，随后充入0.6×105Pa的高纯氩气(纯度99.999％)保护气体，在1700℃～1800℃左右进行首次熔炼10min，得到铸锭粗品。
待合金冷却后，打开炉门，将铸锭倒置，进行二次熔炼使合金元素充分溶解，其中二次熔炼的温度和时间与第一次相同，如此反复熔炼3次，保证组织均匀，铸锭为80mm圆锭，即为铸锭精品。
将铸锭精品去头、尾，在1000℃～1100℃开坯锻造成Φ40mm短棒坯，变形量60％左右，破碎粗大原始晶粒。随后在800℃～900℃二次锻造成Φ20mm棒材。
对Φ20mm棒材进行790℃固溶热处理1.5h，空冷；580℃时效热处理8h，空冷。
对热处理后合金进行力学性能测试，按国家GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》测得结果如表3
表3实施例3中合金室温力学性能
实施例4
本发明名义成分Ti-3.5Al-5Mo-1.5Fe-4Cr-2Zr，按重量百分比配比为Al：3.5％、Mo：5％、Fe：1.5％、Cr：4％、Zr：2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
将原料海绵钛、Al-Mo中间合金、单质铁、电解铬和海绵锆放入真空悬浮熔炼炉，抽真空到5×10-3Pa以下，随后充入0.7×105Pa的高纯氩气(纯度99.999％)保护气体，在1700℃～1800℃左右进行首次熔炼10min，得到铸锭粗品。
待合金冷却后，打开炉门，将铸锭粗品倒置，进行二次熔炼使合金元素充分溶解，其中二次熔炼的温度和时间与第一次相同，如此反复熔炼3次，保证组织均匀，铸锭为80mm圆锭，即为铸锭精品。
将铸锭精品去头、尾，在1000℃～1100℃开坯锻造成Φ40mm短棒坯，变形量60％左右，破碎粗大原始晶粒。随后在800℃～900℃二次锻造成Φ20mm棒材。
对Φ20mm棒材进行790℃，1.5h的固溶热处理，空冷；580℃，8h的时效热处理，空冷。
对热处理后合金进行力学性能测试，按国家GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》测得结果如表4
表4实施例4中合金室温力学性能
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种含Fe的低成本近β型高强钛合金，其特征在于，所述钛合金中所含合金元素重量百分比为：Al：2.5％～5.5％；Fe：0.5～2.2％；Mo：4.7％～5.7％；Cr：3.5％～4.5％；Zr：1.5％～3.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的含Fe的低成本近β型高强钛合金，其特征在于，所述钛合金中所含的合金元素重量百分比为：Al：3％～5％；Fe：0.5～2.2％；Mo：5％；Cr：4％；Zr：2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的含Fe的低成本近β型高强钛合金，其特征在于，所述不可避免的杂质包括：C≤0.05％；N≤0.04％；H≤0.01％；O≤0.15％，其他杂质单元素含量均≤0.01％，总杂质含量≤0.3％，所述百分比为重量百分比。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的含Fe的低成本近β型高强钛合金，其特征在于，所述钛合金中，铝当量[Al]eq≤8.5，钼当量[Mo]eq为11～20；
[Al]eq计算公式如下：
[Al]eq＝％Al+％Zr/6；
[Mo]eq计算公式如下：
[Mo]eq＝％Mo+％Cr/0.63+％Fe/0.35；
Kβ＝CMo/10+CFe/5+CCr/7，其值为1.13～1.65。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的含Fe的低成本近β型高强钛合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按所述钛合金各成分含量计算出所需海绵钛、Al-Mo中间合金、单质铁、电解铬和海绵锆的量，并按照计算结果进行称量，得到称量好的原料；
(2)将称量好的原料放入真空悬浮熔炼炉中，抽真空，随后充入氩气作为保护气体，在1700℃～1800℃进行首次熔炼，得到铸锭粗品；
(3)待步骤(2)所得的铸锭粗品冷却后，将所述铸锭倒置，进行二次熔炼，二次熔炼的温度与时间与第一次相同；如此反复熔炼多次，得到铸锭精品；
(4)对步骤(3)所得的铸锭精品进行开坯锻造，得到大尺寸锻件；
(5)对步骤(4)所得的大尺寸锻件进行二次锻造，得到板材或棒材；
(6)将步骤(5)所得的板材或棒材取样后进行固溶热处理，空冷，然后进行时效热处理，空冷，得到所述的含Fe的低成本近β型高强钛合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：
将称量好的原料放入真空悬浮熔炼炉中，抽真空到5×10-3Pa以下，随后充入氩气作为保护气体，在1700℃～1800℃左右进行首次熔炼10min；得到铸锭粗品。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，充入氩气至0.5～0.7×105Pa后再进行首次熔炼。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，熔炼的次数为2-4次。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)和步骤(5)具体包括：
将铸锭精品去头和尾，在1000℃～1100℃开坯锻造成Φ40mm短棒坯或厚板，变形量为50-70％，破碎粗大原始晶粒；随后在800℃～900℃二次锻造成Φ20mm棒材或板材。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：
对棒材在760-790℃进行固溶热处理1.5h；空冷；然后在580℃进行时效热处理8h，空冷。
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