CN107723514B

CN107723514B - 一种钛合金板材

Info

Publication number: CN107723514B
Application number: CN201710955283.9A
Authority: CN
Inventors: 周书平
Original assignee: Hebei Zongheng Group Fengnan Steel Co Ltd
Current assignee: Hebei Zongheng Group Fengnan Steel Co Ltd
Priority date: 2017-10-14
Filing date: 2017-10-14
Publication date: 2019-09-20
Anticipated expiration: 2037-10-14
Also published as: CN107723514A

Abstract

本发明涉及一种钛合金板材，通过对钛合金板材的Al元素等主要成分的比例调整和加入Sn、Ga等辅助元素，以及轧制、退火、表面处理等制备工艺优化，控制了钛合金的组织均匀性，改善了其加工性能，解决了轧制过程困难、涂层易脱落等问题，并且使钛合金板材成品能够具有高强度和高塑性。

Description

一种钛合金板材

技术领域

本发明涉及钛合金材料领域，具体的说，是涉及一种钛合金板材。

背景技术

钛合金不仅具有比强度高、耐热耐蚀性好、无磁性、耐超低温等优良性能，还有超导、生物相容性好、形状记忆与储氢等独特功能，被广泛应用于航空航天、军事及民用领域。钛及钛合金应用的广度和深度，在一定程度上体现了一个国家或地区的经济科技实力。钛材最初被应用于对高强度、低密度材料有迫切需求的航空航天领域，并成为了该领域的“脊柱”之一，而后在船舶、汽车和能源等领域逐渐得到了广泛的应用。目前，汽车工业发展的主题是安全、节能与环保，汽车轻量化是提高燃油利用率、减少尾气排放的主要措施，受到各大汽车厂商的广泛重视。汽车质量每降低8%，可使汽车燃料量少消耗8~10%，从而使排放的尾气减少约10%。钛合金不仅使汽车重量减小，还使因空气阻力和摩擦造成的能量损失减小，提高燃料利用率，在汽车行业有极大的应用潜力。

钛合金的导热系数低、弹性模量小、化学活性大、易于氧化与氢脆，属于难变形材料，对加工环境与工艺要求较高。钛合金在塑性成型的过程中要考虑形状和性能两个方面，不但尺寸要满足使用要求，强度、塑性等性能也要足够理想，若要同时兼顾这两方面比较困难，需要采用合理的加工工艺与方法。

关于钛合金板材及其制备方法，目前还有许多难题亟待解决，严重制约着它的发展。例如，通常希望钛合金板材具有高强度、高塑性，但强度和韧性往往很难兼得。钛合金板材现有的轧制过程中塑性差、变形抗力大、容易开裂，轧制过程困难，尚需优化轧制工艺，并通过多种工艺方法控制其组织均匀性。还需要通过适当的表面处理技术，来改善钛合金耐磨性差、涂层易脱落等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种钛合金板材，能够具有高强度和高塑性，且表面涂层不脱落，能保持良好的机械性能。具体如下：

一种钛合金板材，其特征在于：所述钛合金板材原料包含以下元素成分：Al:4.5~6.5％、Fe:2.0~3.5％、Si:1.0~1.5％、Mn:0.5~1.0％、Zr:0.5~1.0％、Zn:0.1~0.5％，余量为Ti，上述百分比为质量百分比；所述Al的质量百分比大于除Ti以外的所有其他元素的质量百分比之和；所述钛合金板材成品表面由内向外依次制备有Zr-ZrN层、SiO₂层和钝化膜。

优选地，所述钛合金板材成品表面的位错密度平均为7.0×10¹⁴~7.5×10¹⁴m^-2。

优选地，所述钛合金板材原料还包含以下元素成分：Sn:0.015~0.025％、Ga:0.005~0.015％、V:0.010％以下和Mo:0.010％以下，上述百分比为质量百分比。

所述钛合金板材成品的室温抗拉强度为850~900MPa，延伸率为15~20%。

所述钛合金板材制备方法包括以下步骤：

(a) 将所述钛合金板材原料熔炼，在690~750℃下连续铸造得到板坯；

(b) 将所述板坯进行轧制，先进行热轧，然后进行80~85％压下率的冷轧，得到厚度为15~20mm厚度的轧制后板材；

(c) 将所述轧制后板材加工至表面粗糙度Ra＜0.4µm，然后将所述加工后板材进行退火，退火温度为700~720℃，退火保温时间为1~2h，得到热处理后的钛合金板材；

(d) 在所述钛合金板材表面真空镀含锆元素的Zr-ZrN层，之后，再镀SiO₂层，最后，再利用电化学聚合的方法在所述SiO₂层上制备一层钝化膜，即获得钛合金板材成品。

所述步骤(b)中，先将所述板坯加热到750~850℃进行热轧，热轧变形量不小于60%，以50~60℃/h的冷却速度降温至400~450℃，水淬至室温，然后进行80~85％压下率的冷轧，得到厚度为15~20mm厚度的轧制后板材。

所述步骤(d)中，先将所述钛合金板材的表面进行超声清洗、烘干，然后在所述钛合金板材表面真空镀含锆元素的Zr-ZrN层，真空度为5×10^-3Pa，加热温度为350-360℃；之后，再镀SiO₂层，真空度为5×10^-3Pa，加热温度为90-150℃；最后，再利用电化学聚合的方法在所述SiO₂层上制备一层钝化膜，即获得钛合金板材成品。

优选地，所述Zr-ZrN层的厚度为5~7µm，所述SiO₂层的厚度为3~5µm。

优选地，所述钝化膜由以下重量份的原料组成包括，UV光油:30~40份、硅氧皖偶联剂:3~8份、聚甲基丙烯酸甲酯:10~20份。

本发明的优点是：本发明通过对钛合金板材的Al元素等主要成分的比例调整和加入Sn、Ga等辅助元素，以及轧制、退火、表面处理等制备工艺优化，控制了钛合金的组织均匀性，改善了其加工性能，解决了轧制过程困难、涂层易脱落等问题，并且使钛合金板材成品能够具有高强度和高塑性。

具体实施方式

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：（1）稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。（2）稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。应用了钛合金的产品前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。（3）对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度，对钛合金有显著强化效果，但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2%和0.04～0.05%以下。氢在α相中溶解度很小，钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015%以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。综上，本发明根据实际产品需要，选择了Al、Fe、Si、Mn、Zr、Zn等主要添加元素，以及Sn、Ga、V和Mo等附加元素，来改善钛合金板材的机械性能和加工性能。

钛合金的加工方法主要有铸造、锻造、冲压与轧制等。近几年，钛合金的等温锻造发展迅速，因为等温锻造可以严格控制钛合金的锻造温度，受外界影响较少，工件的报废率较低。轧制技术相对于锻造技术最大的优点是生产效率高，但也有许多难以解决的问题存在，合理调控轧制工艺才能使轧制产品满足形状与性能的要求。以钛合金板材轧制为例：钛合金在轧制过程中与空气、轧辊、冷却水等接触，表面散热较快，温度较低，而轧件心部由于钛合金的导热率低和变形生热的缘故，温度反而上升，这样就导致轧件的表面与心部温差很大，轧制时容易产生表面裂纹。同时，钛合金在高温时容易析氢腐蚀，氧化严重，增加了钛合金板的轧制难度。钛合金板的压下量也很难控制，钛合金轧制的变形量大，有利于细化组织、提升材料的力学性能，变形量小，在变形过程中只发生动态回复；但是钛合金的塑性差、变形抗力大，较大的变形量容易引起轧件开裂，并且轧制力很大，对轧制设备的承载能力要求也较高。

表面强化是目前改善构件表面性能并延长其使用寿命的常用方法，如表面机械研磨、表面深滚、激光冲击强化和表面固溶等。上述方法具有工艺简单、强化效果显著、污染少等优点。作为本发明的发明点之一，本发明所采用的多层表面处理是钛合金最为理想的表面强化方法之一。并且，本发明的轧制工艺可以使得钛合金板材微观组织明显细化、均匀，纳米晶粒弥散分布。轧制同时提高了钛合金板材的强度和塑性，抗拉强度和伸长率明显提高。

下面结合实施例和对比例对本专利进一步详细说明。

实施例1：

一种钛合金板材，其特征在于：所述钛合金板材原料包含以下元素成分：Al:4.5％、Fe:2.0％、Si:1.0％、Mn:0.5％、Zr:0.5％、Zn:0.1％，Ga:0.005％，余量为Ti，上述百分比为质量百分比；所述Al的质量百分比大于除Ti以外的所有其他元素的质量百分比之和；所述钛合金板材成品表面由内向外依次制备有Zr-ZrN层、SiO₂层和钝化膜。所述钛合金板材成品表面的位错密度平均为7.0×10¹⁴~7.5×10¹⁴m^-2。所述钛合金板材成品的室温抗拉强度为850MPa，延伸率为20%。所述钛合金板材制备方法包括以下步骤：(a) 将所述钛合金板材原料熔炼，在690℃下连续铸造得到板坯；(b) 先将所述板坯加热到750℃进行热轧，热轧变形量不小于60%，以50℃/h的冷却速度降温至400℃，水淬至室温，然后进行80％压下率的冷轧，得到厚度为15mm厚度的轧制后板材；(c) 将所述轧制后板材加工至表面粗糙度Ra＜0.4µm，然后将所述加工后板材进行退火，退火温度为700℃，退火保温时间为1h，得到热处理后的钛合金板材；(d) 先将所述钛合金板材的表面进行超声清洗、烘干，然后在所述钛合金板材表面真空镀含锆元素的Zr-ZrN层，真空度为5×10^-3Pa，加热温度为350℃，所述Zr-ZrN层的厚度为5µm；之后，再镀SiO₂层，真空度为5×10^-3Pa，加热温度为90℃，所述SiO₂层的厚度为3µm；最后，再利用电化学聚合的方法在所述SiO₂层上制备一层钝化膜，所述钝化膜由以下重量份的原料组成包括，UV光油:30份、硅氧皖偶联剂:3份、聚甲基丙烯酸甲酯:10份，即获得钛合金板材成品。

实施例2：

一种钛合金板材，其特征在于：所述钛合金板材原料包含以下元素成分：Al:6.5％、Fe:3.0％、Si:1.5％、Mn:0.5％、Zr:0.5％、Zn:0.5％，Sn:0.025％、Ga: 0.005％、V:0.010％以下和Mo:0.010％以下，余量为Ti，上述百分比为质量百分比；所述Al的质量百分比大于除Ti以外的所有其他元素的质量百分比之和；所述钛合金板材成品表面由内向外依次制备有Zr-ZrN层、SiO₂层和钝化膜。所述钛合金板材成品表面的位错密度平均为7.0×10¹⁴~7.5×10¹⁴m^-2。所述钛合金板材成品的室温抗拉强度为900MPa，延伸率为15%。所述钛合金板材制备方法包括以下步骤：(a) 将所述钛合金板材原料熔炼，在750℃下连续铸造得到板坯；(b) 先将所述板坯加热到850℃进行热轧，热轧变形量不小于60%，以60℃/h的冷却速度降温至450℃，水淬至室温，然后进行85％压下率的冷轧，得到厚度为20mm厚度的轧制后板材；(c) 将所述轧制后板材加工至表面粗糙度Ra＜0.4µm，然后将所述加工后板材进行退火，退火温度为720℃，退火保温时间为2h，得到热处理后的钛合金板材；(d) 先将所述钛合金板材的表面进行超声清洗、烘干，然后在所述钛合金板材表面真空镀含锆元素的Zr-ZrN层，真空度为5×10^-3Pa，加热温度为360℃，所述Zr-ZrN层的厚度为7µm；之后，再镀SiO₂层，真空度为5×10^-3Pa，加热温度为150℃，所述SiO₂层的厚度为5µm；最后，再利用电化学聚合的方法在所述SiO₂层上制备一层钝化膜，所述钝化膜由以下重量份的原料组成包括，UV光油: 40份、硅氧皖偶联剂: 8份、聚甲基丙烯酸甲酯: 20份，即获得钛合金板材成品。

实施例3：

一种钛合金板材，其特征在于：所述钛合金板材原料包含以下元素成分：Al:5.5％、Fe:2.5％、Si:1.0％、Mn:1.0％、Zr:0.5％、Zn:0.3％，Sn:0.015％、Ga: 0.015％、V:0.010％以下和Mo:0.010％以下，余量为Ti，上述百分比为质量百分比；所述Al的质量百分比大于除Ti以外的所有其他元素的质量百分比之和；所述钛合金板材成品表面由内向外依次制备有Zr-ZrN层、SiO₂层和钝化膜。所述钛合金板材成品表面的位错密度平均为7.0×10¹⁴~7.5×10¹⁴m^-2。所述钛合金板材成品的室温抗拉强度为880MPa，延伸率为16%。所述钛合金板材制备方法包括以下步骤：(a) 将所述钛合金板材原料熔炼，在730℃下连续铸造得到板坯；(b) 先将所述板坯加热到800℃进行热轧，热轧变形量不小于60%，以55℃/h的冷却速度降温至430℃，水淬至室温，然后进行83％压下率的冷轧，得到厚度为18mm厚度的轧制后板材；(c) 将所述轧制后板材加工至表面粗糙度Ra＜0.4µm，然后将所述加工后板材进行退火，退火温度为710℃，退火保温时间为1.5h，得到热处理后的钛合金板材；(d) 先将所述钛合金板材的表面进行超声清洗、烘干，然后在所述钛合金板材表面真空镀含锆元素的Zr-ZrN层，真空度为5×10^-3Pa，加热温度为350℃，所述Zr-ZrN层的厚度为6µm；之后，再镀SiO₂层，真空度为5×10^-3Pa，加热温度为100℃，所述SiO₂层的厚度为4µm；最后，再利用电化学聚合的方法在所述SiO₂层上制备一层钝化膜，所述钝化膜由以下重量份的原料组成包括，UV光油:35份、硅氧皖偶联剂:6份、聚甲基丙烯酸甲酯:15份，即获得钛合金板材成品。

对比例1：

将不同于本发明钛合金的成分作为原料，特别是Al元素的含量不足或缺少Ga等元素时，由于元素成分和比例的改变，导致熔炼后形成的板坯结构发生变化，轧制过程中将由于本身坯料塑性差的缘故而容易开裂，其成品即使同样的后续热处理、表面处理等工艺，所得到的钛合金板材成品的最大室温抗拉强度仅为680MPa，延伸率为12%。

对比例2：

将元素成分和比例与本发明技术方案相同的钛合金，不进行本发明的多层表面处理时，仅采用现有技术中的表面处理方式，其所得到的钛合金板材成品无法获得本发明所改善的表面性能，且涂层易脱落。

由实施例1-3和对比例1和2可以看出，本发明通过对钛合金板材的Al元素等主要成分的比例调整和加入Sn、Ga等辅助元素，以及轧制、退火、表面处理等制备工艺优化，控制了钛合金的组织均匀性，改善了其加工性能，解决了轧制过程困难、涂层易脱落等问题，并且使钛合金板材成品能够具有高强度和高塑性。

尽管已经示出和描述了本专利的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本专利的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本专利的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种钛合金板材，其特征在于：所述钛合金板材原料包含以下元素成分：Al:4.5~6.5％、Fe:2.0~3.5％、Si:1.0~1.5％、Mn:0.5~1.0％、Zr:0.5~1.0％、Zn:0.1~0.5％，余量为Ti，上述百分比为质量百分比；所述Al的质量百分比大于除Ti以外的所有其他元素的质量百分比之和；所述钛合金板材成品表面由内向外依次制备有Zr-ZrN层、SiO₂层和钝化膜。

2.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于：所述钛合金板材成品表面的位错密度平均为7.0×10¹⁴~7.5×10¹⁴m^-2。

3.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于：所述钛合金板材原料还包含以下元素成分：Sn:0.015~0.025％、Ga: 0.005~0.015％、V:0.010％以下和Mo:0.010％以下，上述百分比为质量百分比。

4.根据权利要求1所述的板材，其特征在于：所述钛合金板材成品的室温抗拉强度为850~900MPa。

5.根据权利要求1所述的板材，其特征在于：所述钛合金板材成品的延伸率为15~20%。

6.一种钛合金板材的制备方法，其特征在于：所述钛合金板材为权利要求1至5中任一项的钛合金板材，其制备方法包括以下步骤： (a) 将所述钛合金板材原料熔炼，在690~750℃下连续铸造得到板坯； (b) 将所述板坯进行轧制，先进行热轧，然后进行80~85％压下率的冷轧，得到15~20mm厚度的轧制后板材； (c) 将所述轧制后板材加工至表面粗糙度Ra＜0.4µm，然后将所述加工后板材进行退火，退火温度为700~720℃，退火保温时间为1~2h，得到热处理后的钛合金板材； (d) 在（c）步骤处理后的钛合金板材表面真空镀含锆元素的Zr-ZrN层，之后，再镀SiO₂层，最后，再利用电化学聚合的方法在所述SiO₂层上制备一层钝化膜，即获得钛合金板材成品。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(b)中，先将所述板坯加热到750~850℃进行热轧，热轧变形量不小于60%，以50~60℃/h的冷却速度降温至400~450℃，水淬至室温，然后进行80~85％压下率的冷轧，得到15~20mm厚度的轧制后板材。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(d)中，先将（c）步骤处理后的钛合金板材的表面进行超声清洗、烘干，然后在所述钛合金板材表面真空镀含锆元素的Zr-ZrN层，真空度为5×10^-3Pa，加热温度为350-360℃；之后，再镀SiO₂层，真空度为5×10^- ³Pa，加热温度为90-150℃；最后，再利用电化学聚合的方法在所述SiO₂层上制备一层钝化膜，即获得钛合金板材成品。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述Zr-ZrN层的厚度为5~7µm，所述SiO₂层的厚度为3~5µm。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述钝化膜由以下重量份的原料组成包括，UV光油:30~40份、硅氧烷偶联剂:3~8份、聚甲基丙烯酸甲酯:10~20份。