CN107541615B

CN107541615B - 一种海洋工程用高强韧钛合金

Info

Publication number: CN107541615B
Application number: CN201710798608.7A
Authority: CN
Inventors: 侯智敏; 赵永庆; 赵彬; 尹雁飞; 李思兰; 李磊
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-02-15
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: CN107541615A

Abstract

本发明公开了一种海洋工程用高强韧钛合金，由以下质量百分数的成分组成：Al 3.5％～6.5％，Sn 0.5％～3.0％，Zr 3.0％～6.0％，Mo 0.5％～2.5％，V 0.5％～2.5％，Nb 0.5％～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明海洋工程用高强韧钛合金经简单退火或双重退火处理后，室温抗拉强度大于850MPa，屈服强度大于720MPa，冲击韧性大于30J/cm²，具有优良的耐海水腐蚀性和可焊性，并且该钛合金的可加工性及强韧性匹配良好，焊接后无需长时间时效热处理，降低了工艺难度，扩大了应用范围，满足工业化生产和海洋工程应用要求。

Description

一种海洋工程用高强韧钛合金

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种海洋工程用高强韧钛合金。

背景技术

钛合金因具有密度小、比强度高、无磁、透声、耐海水腐蚀及海洋大气腐蚀、抗冲击震动和可加工性好等特点而成为理想的海洋工程用金属结构材料。钛合金在海洋船舶中的使用大大减轻了船舶重量，增加了载重，提高了船舶对海洋环境的耐受性，延长了设备使用寿命，提高了整体船舶的战术技术性能。

基于海洋环境的要求，船舶工业上使用的钛合金需要具有耐压、耐海水腐蚀和易加工的性能，我国现有船用钛合金的代表型号有TC4ELI、Ti80和Ti-B19。TC4ELI和Ti80的热稳定性、耐腐蚀性和焊接性良好，但强度不高，无法满足船舶工业对更高强度钛合金的使用要求；Ti-B19具有高强高韧性和良好的可加工性，但作为一种近β型钛合金，其焊接后需要进行长时间的时效热处理，才能保证强韧性匹配，严重限制其在船舶工业的使用范围。

我国船舶工业升级换代需求迫切，现急需研制一种具有高强度、高韧性、优良的耐海水腐蚀性和焊接后无需长时间时效热处理的钛合金，以满足工业化生产和海洋工程应用的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种海洋工程用高强韧钛合金，该钛合金在室温下的抗拉强度大于850MPa，屈服强度大于720MPa，冲击韧性大于30J/cm²，强韧性匹配良好并具有优良的耐海水腐蚀性，并且该钛合金焊接后无需进行长时间的时效热处理，降低了加工难度，扩大了应用范围，满足工业化生产和海洋工程应用要求。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 3.5％～6.5％，Sn 0.5％～3.0％，Zr3.0％～6.0％，Mo 0.5％～2.5％，V 0.5％～2.5％，Nb 0.5％～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述海洋工程用高强韧钛合金经简单退火或双重退火处理后的抗拉强度大于850MPa，屈服强度大于720MPa，冲击韧性大于30J/cm²。

上述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 3.5％，Sn 3.0％，Zr 6.0％，Mo 1.3％，V 0.5％，Nb 3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 5.0％，Sn 2.0％，Zr 4.0％，Mo 0.5％，V 2.5％，Nb 2.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 6.5％，Sn 0.5％，Zr 3.5％，Mo 1.0％，V1.0％，Nb 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 6.0％，Sn 1.0％，Zr 5.0％，Mo 2.5％，V0.5％，Nb 0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，所述简单退火的具体过程为：在温度650℃～800℃保温1h后空冷；所述双重退火的具体过程为：先在920℃～960℃保温1h后空冷，然后在600℃～700℃保温1h～2h后空冷。

本发明所述海洋工程用高强韧钛合金的制备方法为钛合金的常规制备方法，具体过程为：根据需要选择铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝钒中间合金、钛锡中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛，按设计成分混合压制成电极，然后经真空自耗电弧炉熔炼，得到钛合金铸锭；钛合金铸锭经表面扒皮并切去冒口后，在液压锻造机或锻锤等自由锻设备上依次进行开坯锻造及多火次高温改锻，可根据需要进行棒材锻造、板材轧制、棒材和丝材轧制等热加工工艺制成成品，所制成品经退火后得到海洋工程用高强韧钛合金。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明针对海洋工程用钛合金高强韧性、优良的耐腐蚀性和焊接后无需长时间时效热处理的技术要求，设计出Ti-Al-Sn-Zr-Mo-V-Nb系钛合金，Mo和V作为β稳定元素，使钛合金固溶强化从而提高其强度，并改善钛合金的耐腐性，Nb元素改善钛合金的耐蚀性及可焊性，Al元素使钛合金固溶强化从而提高其强度，Sn、Zr元素提高钛合金的可焊性；该合金经简单退火或双重退火处理后，其室温抗拉强度大于850MPa，屈服强度大于720MPa，冲击韧性大于30J/cm²，钛合金基体及焊缝在60℃、3.5wt％的NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率＜3×10^-4mm/a，该钛合金焊接后无需长时间的时效热处理，降低了工艺难度，扩大了应用范围，满足工业化生产和海洋工程应用要求。

2、本发明设计的高强韧钛合金中铝当量[Al_eq]的计算公式为[Al_eq]＝1.0Al+1/3Sn+1/6Zr+10O+10C+20N，钼当量[Mo_eq]的计算公式为[Mo_eq]＝1.0Mo+0.2Ta+0.4W+0.67V+1.25Cr+1.25Ni+1.7Mn+1.7Co+2.5Fe+0.28Nb；本发明控制高强韧钛合金的[Al_eq]≥4.6，从而保证合金足够的韧性和热稳定性，并且在[Mo_eq]≤3的前提下，随着[Al_eq]的增加，适量增加[Mo_eq]，大大改善了因[Al_eq]增加导致的钛合金热加工塑性下降，并进一步提升合金的强塑匹配性及热稳定性，通过对铝当量在4.6～7.3之间、钼当量在2.0～3.0之间的调控，实现钛合金抗拉强度与韧性匹配的调控。

3、本发明的钛合金可加工成棒材、板材、管材、丝材、锻件等成品，适用于海洋用高强韧钛合金的工业化生产，具有广阔的应用前景。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例1海洋工程用高强韧钛合金的金相组织图。

图2是本发明实施例2海洋工程用高强韧钛合金的金相组织图。

图3是本发明实施例3海洋工程用高强韧钛合金的金相组织图。

图4是本发明实施例4海洋工程用高强韧钛合金的金相组织图。

图5是本发明实施例5海洋工程用高强韧钛合金的金相组织图。

具体实施方式

本发明海洋工程用高强韧钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 3.5％～6.5％，Sn 0.5％～3.0％，Zr 3.0％～6.0％，Mo 0.5％～2.5％，V 0.5％～2.5％，Nb 0.5％～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。该钛合金所涉及的原料包括铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝钒中间合金、钛锡中间合金、铝豆、海绵锆及海绵钛。具体制备过程为：将原料按所设计的成分配比在混料机内均匀混合后置于油压机内压制成电极，经真空自耗电弧炉的2次～3次熔炼后得到钛合金铸锭，钛合金铸锭经表面扒皮及切去冒口，在液压锻造机或锻锤等自由锻造设备上经开坯锻造和改锻，然后在锻机或轧机上进行热成型，最后经简单退火或双重退火得到海洋工程用高强韧钛合金。所述开坯锻造的温度为1050℃～1150℃，所述改锻的温度为900℃～950℃；所述开坯锻造和改锻均为三墩三拔，且变形量为30％～50％；所述热成型温度为900℃，且变形量为50％～70％；所述简单退火的具体过程为：在温度650℃～800℃保温1h后空冷；所述双重退火的具体过程为：先在920℃～960℃保温1h后空冷，然后在600℃～700℃保温1h～2h后空冷。

该钛合金经过简单退火或双重退火后的室温抗拉强度大于850MPa，屈服强度大于720MPa，冲击韧性大于30J/cm²，该钛合金焊接试样经简单退火处理后，其基体及焊缝在60℃、3.5wt％的NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率＜3×10^-4mm/a。

实施例1

本实施例海洋工程用高强韧钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 3.5％，Sn3.0％，Zr 6.0％，Mo 1.3％，V 0.5％，Nb 3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例的海洋工程用高强韧钛合金的制备过程为：将铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝钒中间合金，钛锡中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制成电极，然后经真空自耗电弧炉2次熔炼，得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭的表面扒皮并切去冒口后，依次在1150℃和1050℃进行2火次开坯锻造，然后分别在920℃和900℃进行2火次改锻，最后在900℃进行自由锻造，得到55mm×55mm×600mm的钛合金方棒。该方棒经650℃/1h，AC简单退火处理后，得到钛合金成品方棒，其室温抗拉强度为995MPa，屈服强度为920MPa，断后伸长率为15.5％，断面收缩率为53％，冲击韧度为71J/cm²；该钛合金焊接试样经650℃/1h，AC简单退火处理后，其基体及焊缝在60℃、3.5wt％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率为2.8×10^-4mm/a。该方棒经930℃/1h，AC+650℃/1h，AC双重退火处理后，得到钛合金成品方棒，其室温抗拉强度为853MPa，屈服强度为726MPa，断后伸长率为16.0％，断面收缩率为39％，冲击韧度为80J/cm²。

图1是本实施例海洋工程用高强韧钛合金方棒经930℃/1h，AC+650℃/1h，AC双重退火处理后的金相组织图，由图1可看出该合金组织由等轴α相和β基体组成，且组织均匀细小无偏析，等轴α相平均尺寸小于10μm。

实施例2

本实施例海洋工程用高强韧钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 5.0％，Sn2.0％，Zr 4.0％，Mo 0.5％，V 2.5％，Nb 2.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例的海洋工程用高强韧钛合金的制备过程为：将铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝钒中间合金，钛锡中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制成电极，然后经真空自耗电弧炉2次熔炼，得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭的表面扒皮并切去冒口后，依次在1150℃、1100℃和1050℃进行3火次开坯锻造，然后在930℃进行改锻，最后在900℃进行轧制，得到Φ16mm的钛合金棒材。该棒材经700℃/1h，AC简单退火处理后，得到钛合金成品棒材，其室温抗拉强度为970MPa，屈服强度为935MPa，断后伸长率为15.0％，断面收缩率为58％，冲击韧度为40J/cm²；该钛合金焊接试样经700℃/1h，AC简单退火处理后，其基体及焊缝在60℃、3.5wt％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率为1.9×10^-4mm/a。该棒材经920℃/1h，AC+700℃/1h，AC双重退火处理后，得到钛合金成品棒材，其室温抗拉强度为949MPa，屈服强度为857MPa，断后伸长率为20.5％，断面收缩率为60％，冲击韧度为66J/cm²。

图2是本实施例海洋工程用高强韧钛合金棒材经700℃/1h，AC简单退火处理后的金相组织图，由图2可看出该合金组织由大量扭折变形的初生α相及少量β基体组成，整体组织均匀细小无偏析，初生α相平均尺寸小于3μm。

实施例3

本实施例海洋工程用高强韧钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 6.5％，Sn0.5％，Zr 3.5％，Mo 1.0％，V 1.0％，Nb 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例的海洋工程用高强韧钛合金的制备过程为：将铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝钒中间合金，钛锡中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制成电极，然后经真空自耗电弧炉2次熔炼，得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭的表面扒皮并切去冒口后，依次在1100℃和1050℃进行2火次开坯锻造，然后分别在950℃和940℃进行2火次改锻，最后在900℃进行轧制，得到Φ16mm的钛合金棒材。该棒材经800℃/1h，AC简单退火处理后，得到钛合金成品棒材，其室温抗拉强度为967MPa，屈服强度为915MPa，断后伸长率为18.5％，断面收缩率为56％，冲击韧度为32J/cm²；该钛合金焊接试样经800℃/1h，AC简单退火处理后，其基体及焊缝在60℃、3.5wt％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率为1.2×10^-4mm/a。该棒材经960℃/1h，AC+600℃/2h，AC双重退火处理后，得到钛合金成品棒材，其室温抗拉强度为954MPa，屈服强度为868MPa，断后伸长率为19.0％，断面收缩率为59％，冲击韧度为67.5J/cm²。

图3是本实施例海洋工程用高强韧钛合金棒材经960℃/1h，AC+600℃/2h，AC双重退火处理后的金相组织图，由图3可看出该合金组织由等轴α相、条状α相及β基体组成，整体组织均匀细小无偏析，等轴α相平均尺寸小于5μm。

实施例4

本实施例海洋工程用高强韧钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 6.0％，Sn1.0％，Zr 5.0％，Mo 2.5％，V 0.5％，Nb 0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例的海洋工程用高强韧钛合金的制备过程为：将铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝钒中间合金，钛锡中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制成电极，然后经真空自耗电弧炉3次熔炼，得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭的表面扒皮并切去冒口后，依次在1150℃、1100℃和1050℃进行3火次开坯锻造，然后分别在950℃、920℃和900℃进行改锻，最后在900℃进行轧制，得到δ15mm的钛合金板材。该板材经950℃/1h，AC+700℃/1h，AC双重退火处理后，得到钛合金成品板材，其室温抗拉强度为1026MPa，屈服强度为943MPa，断后伸长率为17.5％，断面收缩率为42％，冲击韧度为77.6J/cm²；该钛合金焊接试样经700℃/1h，AC简单退火处理后，其基体及焊缝在60℃、3.5wt％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率为1.4×10^-4mm/a。

图4是本实施例海洋工程用高强韧钛合金板材经950℃/1h，AC+700℃/1h，AC双重退火处理后的金相组织图，由图4可看出该合金组织由等轴α相、条状α相及β基体组成，整体组织均匀细小无偏析，等轴α相平均尺寸小于10μm。

实施例5

本实施例海洋工程用高强韧钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 3.5％，Sn2.0％，Zr 3.0％，Mo 1.5％，V 1.0％，Nb 2.0％，，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例的海洋工程用高强韧钛合金的制备过程为：将铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝钒中间合金，钛锡中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制成电极，然后经真空自耗电弧炉3次熔炼，得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭的表面扒皮并切去冒口后，在1100℃进行一火次开坯锻造，然后分别在950℃和920℃进行改锻，最后在900℃进行轧制，得到Φ20mm的钛合金棒材。该棒材经700℃/1h，AC简单退火处理后，得到钛合金成品棒材，其室温抗拉强度为968MPa，屈服强度为897MPa，断后伸长率为15.0％，断面收缩率为52％，冲击韧度为72.5J/cm²；该钛合金焊接试样经700℃/1h，AC简单退火处理后，其基体及焊缝在60℃、3.5wt％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率为2.9×10^-4mm/a。该棒材经920℃/1h，AC+650℃/1.5h，AC双重退火处理后，得到钛合金成品棒材，其室温抗拉强度为854MPa，屈服强度为768MPa，断后伸长率为19.0％，断面收缩率为59％，冲击韧度为67.5J/cm²。

图5是本实施例海洋工程用高强韧钛合金棒材经700℃/1h，AC简单退火热处理后的金相组织图，由图5可看出该合金组织由大量扭折变形的初生α相及少量β基体组成，整体组织均匀细小无偏析，初生α相平均尺寸小于5μm。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al3.5％～6.5％，Sn 0.5％～3.0％，Zr 3.0％～6.0％，Mo 0.5％～2.5％，V 0.5％～2.5％，Nb 0.5％～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述海洋工程用高强韧钛合金经简单退火或双重退火处理后的抗拉强度大于850MPa，屈服强度大于720MPa，冲击韧性大于30J/cm²；铝当量[Al_eq]≥4.6且钼当量[Mo_eq]≤3。

2.根据权利要求1所述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 3.5％，Sn 3.0％，Zr 6.0％，Mo 1.3％，V 0.5％，Nb 3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 5.0％，Sn 2.0％，Zr 4.0％，Mo 0.5％，V 2.5％，Nb 2.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 6.5％，Sn 0.5％，Zr 3.5％，Mo 1.0％，V1.0％，Nb 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 6.0％，Sn 1.0％，Zr 5.0％，Mo 2.5％，V0.5％，Nb 0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的一种海洋工程用高强韧钛合金，其特征在于，所述简单退火的具体过程为：在温度650℃～800℃保温1h后空冷；所述双重退火的具体过程为：先在920℃～960℃保温1h后空冷，然后在600℃～700℃保温1h～2h后空冷。