CN107058800B - 一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金，所述的钛合金按照质量百分数由以下组分组成：α稳定元素Al 3.0‑7.0%；β稳定元素Mo、V、Nb和Ni共1.5‑4.5%；中性元素Zr和Sn共0.5‑3.0%；Si元素0.01~0.3%；余量为Ti和不可避免的杂质；其中，Mo的质量百分数为0‑1%、V的质量百分数为0‑3%、Nb的质量百分数为0‑1%和Ni的质量百分数为0.5%；Zr的质量百分数为0‑2%、Sn的质量百分数为0‑3%。本发明的钛合金具有较好的强度‑塑性‑韧性匹配，屈服强度R_p0.2≥640MPa，抗拉强度R_m≥740MPa，延伸率A≥15%，断裂韧性K_IC≥140，冲击韧性KV₂≥80J；该合金具有较好的止裂性能，动态撕裂能DTE≥800J；同时具有良好焊接性能和耐海水腐蚀性能，焊接系数≥0.95，K_ISCC≥95

Description

一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程用钛合金领域，尤其涉及一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、无磁性等优异性能，特别对盐水或海水和海洋大气环境的侵蚀有免疫能力，是优质轻型结构材料，被称为“海洋金属”。随着我国船舶及海洋装备的不断发展，钛合金逐渐用于承力结构件，如深海油气开采用油井管、深潜器耐压壳体及承压容器等。基于服役安全可靠性考虑，钛合金结构件对材料的止裂性、耐蚀性、焊接性等性能提出了更高的要求。目前国内外代表的中强度钛合金主要有TA5、Ti70、Ti75、Gr18、PT-5V、ΠT-3B等，这些合金韧性储备相对较低，K_IC值一般在100 MPa·m^1/2左右，DT能约600J，裂纹萌生后很容易快速扩展，难以满足船舶及海洋工程装备的特殊使用要求。因此，需要开发一种断裂韧性K_IC≥140MPa·m^1/2，动态撕裂能DTE≥800J，耐海水腐蚀性能K_ISCC≥95MPa·m^1/2，冲击功KV₂≥80J，铸件/锻件/板材焊接系数≥0.9，屈服强度600MPa级的新型中强度耐蚀可焊止裂钛合金。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金及其制备方法，该钛合金具有较好的强度-塑性-韧性匹配，屈服强度R_p0.2≥640MPa，抗拉强度R_m≥740MPa，延伸率A≥15%，断裂韧性K_IC≥140 MPa·m^1/2，冲击韧性KV₂≥80J；该合金具有较好的止裂性能，动态撕裂能DTE≥800J；同时具有良好焊接性能和耐海水腐蚀性能，焊接系数≥0.95，K_ISCC≥95 MPa·m^1/2，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。

本发明所采用的技术方案是：一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金，所述的钛合金的材料性能为：R_m≥740MPa，R_p0.2≥640MPa，A≥15%，KV₂≥80J，DTE≥800J，K_IC≥140 MPa·m^1/2，K_ISCC≥95 MPa·m^1/2，焊接系数≥0.9；

按照质量百分数由以下组分组成：α稳定元素Al 3.0-7.0%；β稳定元素Mo、V、Nb和Ni共1.5 -4.5%；中性元素Zr和Sn共0.5 -3.0%；Si 元素0.01~0.3%；余量为Ti和不可避免的杂质；

其中，Mo的质量百分数为0-1%、V的质量百分数为0-3%、Nb的质量百分数为0-1%和Ni的质量百分数为0-0.5%；Zr的质量百分数为0-2%、Sn的质量百分数为0-3%。

所述中强度耐蚀可焊止裂钛合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、合金成分配料：V、Nb、Mo、Ti、Ni元素以中间合金的形式加入，Zr、Sn、Al元素以纯金属的形式加入，按上述配方称重配料，充分混合后，压成电极；

步骤二、铸锭熔炼：采用真空自耗电弧熔炼技术进行铸锭，预熔真空度为1Pa，熔炼次数≥3次，然后将铸锭车皮后，去缩口；

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，经加工得到钛合金板材或钛合金锻件。

与现有技术相比，本发明至少具有下述优点及有益效果：

本发明提供的中强度耐蚀可焊止裂钛合金为近α钛合金，其中Al元素为α相稳定元素，其主要作用是固溶强化；Mo、V、Nb、Ta、Ni元素为β相稳定元素，其作用是进一步提高钛合金强度，同时使合金组织具有一定的β相，改善合金的加工性能，Nb、Ni元素的加入，还可以提高钛合金的抗缝隙腐蚀性能；Zr、Sn元素为中性元素，主要作用增加合金原子间的结合力，提高合金的止裂性能，Zr元素还能提高材料的焊接性；少量Si元素的加入能够显著提高材料的蠕变特性。

本发明的合金具有良好的冷热加工性能，可成形为锻件和厚板等；该合金具有较好的强度-塑性-韧性匹配，屈服强度R_p0.2≥640MPa，抗拉强度R_m≥740MPa，延伸率A≥15%，断裂韧性K_IC≥140 MPa·m^1/2，冲击韧性KV₂≥80J；该合金具有较好的止裂性能，动态撕裂能DTE≥800J；同时具有良好焊接性能和耐海水腐蚀性能，焊接系数≥0.95，K_ISCC≥95 MPa·m^1/2，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

为使本发明的内容更明显易懂，以下结合具体实施例，对本发明进行详细描述。

一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金，所述的钛合金的材料性能为：R_m≥740MPa，R_p0.2≥640MPa，A≥15%，KV₂≥80J，DTE≥800J，K_IC≥140 MPa·m^1/2，K_ISCC≥95 MPa·m^1/2，焊接系数≥0.9；

按照质量百分数由以下组分组成：α稳定元素Al 3.0-7.0%；β稳定元素Mo、V、Nb和Ni共1.5 -4.5%；中性元素Zr和Sn共0.5 -3.0%；Si元素0.01~0.3%；余量为Ti和不可避免的杂质；

其中，Mo的质量百分数为0-1%、V的质量百分数为0-3%、Nb的质量百分数为0-1%和Ni的质量百分数为0-0.5%；Zr的质量百分数为0-2%、Sn的质量百分数为0-3%。

所述中强度耐蚀可焊止裂钛合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、合金成分配料：V、Nb、Mo、Ti、Ni元素以中间合金的形式加入，Zr、Sn、Al元素以纯金属的形式加入，按上述配方称重配料，充分混合后，压成电极；

步骤二、铸锭熔炼：采用真空自耗电弧熔炼技术进行铸锭，预熔真空度为1Pa，熔炼次数≥3次，然后将铸锭车皮后，去缩口；

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，经加工得到钛合金板材或钛合金锻件。

实施例1：Ti-3Al-1Mo-0.5Ni-0.5Sn-0.1Si合金

一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al 的质量百分数为3%，Mo的质量百分数为1%、Ni的质量百分数为0.5%、Sn的质量百分数为0.5%和Si的质量百分数为0.1%，余量为Ti和不可避免的杂质。

按实施例1所列成分称量原料，将3wt.%的铝元素、1wt.%的Mo元素、0.5wt.%的镍元素、0.5wt.%的锡元素、0.1wt.%的硅元素和工业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。然后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-4.5Al-3V-1Nb-0.5Ni-2Zr-0.05Si合金

一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al 的质量百分数为4.5%，V的质量百分数为3%、Nb的质量百分数为1%、Ni的质量百分数为0.5%、Zr的质量百分数为2%和Si的质量百分数为0.05%，余量为Ti和不可避免的杂质。

按实施例2所列成分称量原料，将4.5wt.%的铝元素、3wt.%的钒元素、1wt.%的铌元素、0.5wt.%的镍元素、2wt.%的锆元素、0.05wt.%的硅元素和工业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。然后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-5Al-2V-1Nb-0.5Ni-3Sn合金

一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al 的质量百分数为5%，V的质量百分数为2%、Nb的质量百分数为1%、Ni的质量百分数为0.5%和Sn的质量百分数为3%，余量为Ti和不可避免的杂质。

按实施例3所列成分称量原料，将5wt.%的铝元素、2wt.%的钒元素、1wt.%的铌元素、0.5wt.%的镍元素和工业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。然后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-6Al-1V-1Nb-0.5Ni-2Sn合金

一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al的质量百分数为6%，V的质量百分数为1%、Nb的质量百分数为1%、Ni的质量百分数为0.5%和Sn的质量百分数为2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

按实施例4所列成分称量原料，将6wt.%的铝元素、1wt.%的钒元素、1wt.%的铌元素、0.5wt.%的镍元素、2wt.%的锡元素和工业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。然后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-7Al-1Mo-1V-0.5Ni-1Zr-1Sn-0.3Si合金

一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al的质量百分数为7%，Mo的质量百分数为1%、V的质量百分数为1%、Ni的质量百分数为0.5%、Zr的质量百分数为1%、Sn的质量百分数为2%和Si的质量百分数为0.3%，余量为Ti和不可避免的杂质。

按实施例5所列成分称量原料，将7wt.%的铝元素、1wt.%的钼元素、1wt.%的钒元素、0.5wt.%的镍元素、1wt.%的锆元素、1wt.%的锡元素、0.3wt.%的硅元素和工业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。然后经合适热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

表1各实施例中制备钛合金材料的成分及性能

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Claims (2)

1.一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金，其特征在于：所述的钛合金的材料性能为：R_m≥740MPa，R_p0.2≥640MPa，A≥15%，KV₂≥80J，DTE≥800J，K_IC≥140，K_ISCC≥95，焊接系数≥0.9；

按照质量百分数由以下组分组成：α稳定元素Al 3.0-7.0%；β稳定元素Mo、V、Nb和Ni共1.5 -4.5%；中性元素Zr和Sn共0.5 -3.0%；Si 元素0.01~0.3%；余量为Ti和不可避免的杂质；

其中，Mo的质量百分数为0-1%、V的质量百分数为0-3%、Nb的质量百分数为0-1%和Ni的质量百分数为0-0.5%；Zr的质量百分数为0-2%、Sn的质量百分数为0-3%。

2.如权利要求1所述的一种中强度耐蚀可焊止裂钛合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、合金成分配料：V、Nb、Mo、Ti、Ni元素以中间合金的形式加入，Zr、Sn、Al元素以纯金属的形式加入，按上述配方称重配料，充分混合后，压成电极；

步骤二、铸锭熔炼：采用真空自耗电弧熔炼技术进行铸锭，预熔真空度为1Pa，熔炼次数≥3次，然后将铸锭车皮后，去缩口；

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，经加工得到钛合金板材或钛合金锻件。