CN107675020A - 一种含稀土y的低密度钛合金及制备方法 - Google Patents

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辛海鹰
郑超
曾羽
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郭红燕
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Abstract

一种含稀土Y的低密度钛合金及其制备方法，该低密度钛合金的成分按重量百分比为：Ti 88.0～90.0％，Al 9.5％～10.5％，V 0.3～0.8％，Y 0.05～0.30％，其余不可避免杂质，制备方法为：将海绵钛、纯铝、Al‑V中间合金与Al‑Y中间合金按所述的合金成分均匀混合后压制电极，用真空自耗炉二次熔炼得到铸锭。本发明的低密度钛合金组分配比科学合理，其基本力学性能与Ti‑6Al‑4V相当，且具有更低的密度、更高的比强度，在满足性能要求的同时，可实现进一步轻量化的要求，对于新一代装备的研制具有重要意义。

Description

一种含稀土Y的低密度钛合金及制备方法
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，尤其涉及一种含稀土Y的低密度钛合金及制备方法。
背景技术
近年来，随着科技的发展，在需求牵引和技术推动的共同作用下，我国陆续完成了多种装备的技术更新和升级换代，取得显著的效益，新材料在其中作用尤其关键。
钛合金具有比强度高、密度低和耐腐蚀性能优异等诸多优点，被广泛地应用于航空、航天、化工、海洋工程、船舶及兵器等工业领域。其中，Ti-6Al-4V是钛合金中应用最为广泛的合金，其用量占到所有钛合金牌号的50％以上，在航空航天工业中甚至超过了80％。该合金属于中等强度钛合金(850-950MPa)，其密度约为4.44-4.45g/cm3,具有较高的强度和良好的比强度。因此，采用该合金取代钢部件在诸多工业领域的普通零部件和各种关键承重零部件的应用过程中起到了显著的轻量化效果。
新一代装备的研制对采用钛合金材料与构件实现显著轻量化的目标提出了更高的要求，因此进一步降低钛合金密度、提高其比强度与比刚度具有重要意义。目前，工业钛合金中合金化元素多使用Al、V、Sn、Zr、Mo、Cu、Mn、Fe、Cr、Nb等元素。如表1所示，这些合金化元素中除了Al(2.7g/cm3)的密度低于基体Ti(4.506g/cm3)外，其他元素的密度均明显高于Ti，这些元素的添加均会增加合金密度。因此，进一步提高钛合金中Al元素的含量，适度降低Mo等高密度元素含量，可有效降低钛合金密度。
表1工业钛合金中合金化元素密度(g/cm3)
经查，现有专利号CN201010142643.1的中国专利《一种低密度高铸造性能钛合金材料及其制备方法》，其名义成分为Ti-9Al-1Mo，质量比Ti：87.0～91.0％、Al：8.4～10.0％、Mo：0.5～2.0％、以及总量为0～0.8％的V、Nb、Cr。该钛合金属于铸造用钛合金，其性能远低于Ti-6Al-4V等中等强度钛合金(850-950MPa)要求；并且，该合金中除Al以外，选择了密度较高的Mo元素为主要合金化元素，不利于进一步降低钛合金密度。
还有专利号为CN201010180080.5的中国专利《一种含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金》，其含铝6.85～9.5％、含矾3.1～4.5％和含钛86.0～90.0％，具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金。与Ti-6Al-4V相比，该合金仅提高了Al元素的含量，保留了约4％的V元素，使得合金的密度有所降低，但是总体上来说还是不理想。
Al是钛合金中最主要的合金化元素，它在α-Ti中的固溶度大于在β-Ti的固溶度，并提高α/β转变温度，扩大α相区，属于α稳定化元素。其主要的作用除了可降低合金密度外，还有固溶强化、提高再结晶和相变温度。然而，铝含量过高容易导致合金中出现脆性的Ti3Al(α2相)，使合金塑性降低，甚至出现脆性断裂。
而添加稀土元素RE可通过内氧化形成稀土氧化物RE2O3净化基体，从而有效抑制Ti3Al(α2相)的析出与长大。在稀土合金元素中，Y的密度低于Ti基体，仅为4.472g/cm3，是低密度钛合金中的优选合金化稀土元素。在钛合金中添加稀土Y后，一部分Y固溶到合金基体当中，起到固溶强化作用；另外，内氧化形成的Y2O3从β相析出增加了位错密度，强化了晶界；同时，Y2O3作为第二相形核质点，降低形核功，增加形核率，细化了钛合金晶粒，从而进一步改善了合金强度与塑性。
钒是钛合金中广泛应用的一种合金元素，它与β-Ti属于同晶元素，具有β稳定化作用。V在β-Ti中无限固溶，而在α-Ti中也有一定的固溶度。V具有显著的固溶强化作用，在提高合金强度的同时，能获得良好的塑性。Mo与Nb元素在钛合金中的性质和作用与V相似。但是，V(4.506g/cm3)的密度明显低于Mo(10.28g/cm3)与Nb(8.57g/cm3)。因此，为了改善钛合金强度与塑性，可在低密度钛合金中适度添加少量V元素。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种密度低、力学性能好的含稀土Y的低密度钛合金。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种含稀土Y的低密度钛合金的制备方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种含稀土Y的低密度钛合金，其特征在于：该低密度钛合金的成分按重量百分比为：Ti 88.0～90.0％，Al9.5％～10.5％，V 0.3～0.8％，Y 0.05～0.30％，其余不可避免杂质。
优选地，所述低密度钛合金按重量百分比为Ti-10Al-0.5V-0.2Y。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种含稀土Y的低密度钛合金的制备方法，其特征在于步骤为：
1)以海绵钛、纯铝、Al-V中间合金与Al-Y中间合金作为原料按上述低密度钛合金的成分进行称重配料；
2)将上述称重后的原料均匀混合后压制电极，用真空自耗炉二次熔炼得到铸锭。
进一步，所述铸锭用金相法测得相变点为1035～1055℃。
再改进，所述铸锭在1100～1200℃开坯锻造成棒坯，棒坯在相变点以下30～50℃范围内加热，然而经过轧制或锻造成形方法制成Φ15mm的棒材或15mm厚板材，接着将棒材或板材经双重退火热处理。
最后，所述双重退火热处理是指：950℃～1000℃，45min～120min，空冷+600℃～650℃，60min～90min，空冷的双重退火。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过添加少量稀土Y元素，不仅有效抑制Ti3Al(α2相)的析出与长大，并且起到了固溶强化与细化晶粒的复合强韧化作用，从而改善了合金的强度与塑性；制备的低密度钛合金棒材或板材经热处理后综合力学性能与与Ti-6Al-4V合金相当，并且具有更低的密度、更高的比强度，在满足性能要求的同时，可实现进一步轻量化的要求，工艺配方合理，对于新一代装备的研制具有重要意义。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
将海绵钛、纯铝、Al-V中间合金与Al-Y中间合金按重量百分比Ti89.26％、Al9.89％、V0.45％、Y0.18％进行配制并均匀混合后压制电极，用真空自耗炉二次熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为1045±5℃。铸锭1100-1200℃开坯锻造成棒坯，棒坯在相变点以下30-50℃范围内加热，而经过轧制后制成Φ15mm的棒材。对棒材取样，测得该合金的密度为4.33g/cm3。棒材经950℃-1000℃，45min-120min，空冷+600℃-650℃，60min-90min，空冷的双重退火后，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表2所示。
表2实例1中低密度钛合金棒材的力学性能指标
实施例2
将海绵钛、纯铝、Al-V中间合金与Al-Y中间合金按重量百分比Ti88.51％、Al10.32％、V0.62％、Y0.25％进行配制并均匀混合后压制电极，用真空自耗炉二次熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为1050±5℃。铸锭1100-1200℃开坯锻造成棒坯，棒坯在相变点以下30-50℃范围内加热，而经过轧制后制成Φ15mm的棒材。对棒材取样，测得该合金的密度为4.31g/cm3。棒材经950℃-1000℃，45min-120min，空冷+600℃-650℃，60min-90min，空冷的双重退火后，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表3所示。
表3实例2中低密度钛合金棒材的力学性能指标
实施例3
将海绵钛、纯铝、Al-V中间合金与Al-Y中间合金按重量百分比Ti89.60％、Al9.62％、V0.38％、Y0.15％进行配制并均匀混合后压制电极，用真空自耗炉二次熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为1040±5℃。铸锭1100-1200℃开坯锻造成棒坯，棒坯在相变点以下30-50℃范围内加热，而经过轧制后制成Φ15mm的棒材。对棒材取样，测得该合金的密度为4.34g/cm3。棒材经950℃-1000℃，45min-120min，空冷+600℃-650℃，60min-90min，空冷的双重退火后，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表5所示。
表4实例3中低密度钛合金棒材的力学性能指标
结论：根据上述实施例，可以得出本发明的含稀土Y的低密度钛合金的力学性能如下表：
表5低密度钛合金的力学性能指标
Rm(MPa) Rp0.2(MPa) A(％) Z(％)
≥895 ≥825 ≥10 ≥20
由此可见，本发明所制备的低密度钛合金综合力学性能良好，基本力学性能与Ti-6Al-4V相当，同时密度在4.30g/cm3-4.34g/cm3之间，与Ti-6Al-4V合金相比，具有更低的密度、更高的比强度，在满足性能要求的同时，可实现进一步轻量化的要求，对于新一代装备的研制具有重要意义。

Claims (5)

1.一种含稀土Y的低密度钛合金，其特征在于：该低密度钛合金的成分按重量百分比为：Ti 88.0～90.0％，Al 9.5％～10.5％，V 0.3～0.8％，Y 0.05～0.30％，其余不可避免杂质。
2.一种根据权利要求1所述的低密度钛合金的制备方法，其特征在于步骤为：
1)以海绵钛、纯铝、Al-V中间合金与Al-Y中间合金作为原料按所述低密度钛合金的成分进行称重配料；
2)将上述称重后的原料均匀混合后压制电极，用真空自耗炉二次熔炼得到铸锭。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述铸锭用金相法测得相变点为1035～1055℃。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述铸锭在1100～1200℃开坯锻造成棒坯，棒坯在相变点以下30～50℃范围内加热，然而经过轧制或锻造成形方法制成Φ15mm的棒材或15mm厚板材，接着将棒材或板材经双重退火热处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述双重退火热处理是指：950℃～1000℃，45min～120min，空冷+600℃～650℃，60min～90min，空冷的双重退火。
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