CN107746992A - 一种低成本高强度高钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本高强度高钛合金及其制备方法，钛合金的重量百分比组成为：Cr：3～8％，Fe：0.5～2％，Al：4～7.75％，V：3～5％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。制备方法包括：按照配比，称取海绵钛、Al‑V中间合金、纯Al、纯Cr、纯Fe，混合后压制成电极；经二次熔炼，制成Ti‑Al‑Cr‑Fe‑V合金铸锭；开坯第一次锻造；第二次锻造；第三次锻造，得小尺寸棒材；固溶处理，空冷；然后时效处理，空冷，得到低成本高强度钛合金。该钛合金含有较大量廉价的β元素稳定元素Cr和Fe，具有低成本高强度高塑性等优点。

Description

一种低成本高强度高钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制备加工技术领域，尤其涉及一种低成本高强度高钛合金及其制备方法。
背景技术
钛合金具有密度小，比强度、比刚度高，耐腐蚀，良好的高低温性能和生物兼容性等特点，因此作为理想的结构材料和功能材料被大量应用于航空航天、舰船制造、石油化工、海洋工程、生物医学和建筑装饰等领域,且获得了良好的经济和社会效益。
目前广泛应用的商业高强度近β钛合金有Ti-1023，BT22，和VST5553，这些合金都或使用了较大含量的高成本Mo％+V％，具有较高的成本；或没有明显的价格优势且合金强度低。
如专利号为201610934241.2，“一种含Fe的低成本近β型高强钛合金及其制备方法”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％；其中昂贵元素Mo含量较高，同时由于Mo为高熔点金属，这无疑提高了合金元素成本和熔炼成本。
专利号为201310006614.6，“一种含Cr、Mn合金元素的低成本钛合金”该合金的重量百分比组成为：Cr：10～12％，Mn：3～5％，Al：4～5％，余量为Ti和不可避免的杂质，合金的强度达到了1407MPa，但是合金中具有较高的Mn元素，Mn元素在钛合金中属于快速析出的共析型元素，在合金中很容易产生偏析，这无疑增加了合金的熔铸和加工成本，且合金中Cr含量超过10％，这会使合金不够稳定，缩短合金的使用寿命，且其强度也没有达到1500MPa级别。
如专利号为201410821718.7，“一种低成本高强高韧钛合金及其制备方法”该合金的重量百分比组成为：Al：2.5-3.5％、Fe：0.85-2.35％、V：3.0-8.0％、Cr：1.0-5.0％、O<0.2％，余量为Ti，不仅合金中廉价元素Cr和Fe含量较低，且昂贵元素V的含量较高，而且其合金强度只有1106-1289MPa。
再比如专利号为201610985168.1，名称为“一种低成本钛合金及其制备方法”和专利号为201610130527.5，名称为“一种含Fe和Mn元素的低成本钛合金”，两种合金Fe含量分别为0.5-5wt.％和4-6wt.％，其合金强度分别为750MPa-850MPa和1203MPa-1233Mpa，与高强度合金相比具有明显的差距。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种低成本高强度高钛合金及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种低成本高强度高钛合金，所述钛合金的重量百分比组成为：Cr：3～8％，Fe：0.5～2％，Al：4～7.75％，V：3～5％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。
优选地，所述钛合金的重量百分比组成为：Cr：5～7％，Fe：0.8～1.5％，Al：5.5～6.75％，V：3.5～4.75％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。
优选地，所述钛合金的重量百分比组成为：Cr：6％，Fe：1％，Al：6％，V：4％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的元素。
优选地，所述钛合金的钼当量[Mo]当为9～19.5，铝当量[A1]当为4～8；
[Mo]当的计算公式为：[Mo]当＝0.67V+1.6Cr+2.85Fe；
[A1]当的计算公式为：[A1]当＝Al。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的低成本高强度高钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比，称取海绵钛、Al-V中间合金、纯Al、纯Cr，纯Fe，得到混合原料；
(2)将步骤(1)所得的混合原料压制成电极；
(3)将步骤(2)所得的电极经过二次熔炼，制成Ti-Al-Cr-Fe-V合金铸锭；
(4)将步骤(3)所得的Ti-Al-Cr-Fe-V合金铸锭开坯第一次锻造，得到大尺度锻件；
(5)对步骤(4)所得的大尺寸锻件进行第二次锻造，得到较大尺寸棒材；
(6)对步骤(5)所得的较大尺寸棒材进行第三次锻造，得到小尺寸棒材；
(7)对步骤(6)所得的小尺寸棒材取样后进行固溶处理，空冷；然后进行时效处理，空冷，得到所述的一种低成本高强度高钛合金。
优选的，所述步骤(4)中，所述第一次锻造的温度为1000℃～1050℃，变形量为40～60％。
优选的，所述步骤(5)中，所述第二次锻造的温度为850～900℃，变形量为65～85％。
优选的，所述步骤(6)中，所述第三次锻造的温度为750～800℃，变形量为75～95％。
优选的，所述步骤(7)中，所述固溶处理的温度为740℃～840℃，时间为0.5～1h。
优选的，所述步骤(7)中，所述时效处理的温度为500～650℃，时间为4～8h。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、众所周知，钛合金价格昂贵是制约其大量使用的重要因素，本发明的一种低成本高强度高钛合金，以钛为主体元素，以α稳定元素Al和β稳定元素，Cr、Fe和V为合金元素，与现在有的国外牌号高强度近β钛合金，如Ti-1023，BT22，和VST5553相比，由于本发明的合金含有较大量廉价的的β元素稳定元素Cr和Fe来代替或减少钛合金中常用的昂贵金属元素Mo和V，能够显著的降低合金成本，具有明显的价格优势，且强度塑性匹配度也达到了以上合金的水准。本发明的低成本高强高塑性钛合金，成分均匀，组织细小，抗拉强度达到了1153-1560MPa，并保持了3-13％的塑性，本合金的强度塑性匹配值超过了现有的多数合金，且具有成本优势，该低成本高强高塑性钛合金可用以生产应用于高强结构件中的各种锻件，在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。
2、本发明的一种低成本高强度高钛合金抗拉强度达到了1153-1560MPa，并保持了3-13％的塑性。与现有在开发技术相比，如专利号为201310006614.6，“一种含Cr、Mn合金元素的低成本钛合金”，合金的强度达到了1407MPa，但是合金中具有较高的Mn元素，增加了合金的熔铸和加工成本，且合金中Cr含量超过10％，会缩短合金的使用寿命，且其强度也没有达到本发明合金的1500MPa级别。如专利号为201610934241.2的低成本高强度钛合金中，合金强度达到了1320MPa，但是合金中具有较高的昂贵元素Mo，因此不具备价格优势。再比如专利号为201610985168.1，201610130527.5和201410821718.7的三种合金合金强度分别为750MPa-850MPa和1203MPa-1233Mpa和1106-1289MPa与本发明中合金强度1153-1560MPa，具有明显差距。
3、Cr和Fe是一种广泛应用的钛合金添加元素，Cr和Fe的加入可以显著提高合金的强度。但是由于Cr和Fe元素容易偏析形成β斑，造成性能下降，所以在钛合金中Cr和Fe的含量一直受到限制。在本合金中Cr和Fe的含量相加达到了3.5-10wt.％，通过一系列的热锻造和热处理成功解决了含Cr和Fe钛合金合金中元素偏析严重问题，保持高强度1153-1560MPa的同时的塑性达到了3-13％。
4、本发明一种低成本高强度高钛合金的制备方法简单，在沿用常规的钛合金制备设备和流程的基础上调整制备工艺即可制得。
附图说明
图1为实施例1制备的一种低成本高强度高钛合金的微观组织。
图2为实施例2制备的一种低成本高强度高钛合金的微观组织。
图3为实施例3制备的一种低成本高强度高钛合金的微观组织。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例的一种低成本高强度高钛合金，包括下述重量百分比的化学元素:Cr：6％，Fe：1％，Al：6％，V：4％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述本实施例的一种低成本高强度高钛合金的制备方法为：
按上述比例称量海绵钛、Al-V中间合金、纯Al、纯Cr，纯Fe，其中，钛由海绵钛提供，V由Al-V中间合金提供，Al由纯Al和Al-V中间合金提供，Cr由纯Cr提供，Fe由纯Fe提供得到混合原料；按设计成分混合后压制成电极，采用真空自耗电弧熔炼炉将所述电极熔炼二次制备得到直径为160mm合金铸锭，在液压机或锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造，锻造温度为1050℃，变形量约为50％。之后合金在900℃进行二次锻造成1000mm×80mm×40mm的方棒变形量为75％，之后把合金切割为40mm×40mm×20mm方块并且在780℃(相变点以下30-50℃)三次锻造成约320mm×10mm×10mm的长条状，变形量约为75％。将上述制得的棒材进行固溶时效处理，该合金在740℃固溶处理0.5小时后空冷，在500℃时效处理6小时空冷至室温，测定合金强度和塑性。所得的棒材取样，热处理，热处理完毕后进行结构和性能的表征。
从图1中可以看出，本实施例热处理后的低成本高强度高钛合金的微观组织主要是长条状α相，球状α相和次生α相组成的偏向于等轴组织，从表1可知，该合金抗拉强度达到1329MPa，延伸率达到7.5％，该低成本高强高塑性钛合金的强度超过了现有的多数合金，在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。
实施例2：
本实施例的一种低成本高强度高钛合金，包括下述重量百分比的化学元素:Cr：6％，Fe：1％，Al：6％，V：4％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述本实施例的一种低成本高强度高钛合金的制备方法为：
按上述比例称量海绵钛、Al-V中间合金、纯Al、纯Cr，纯Fe，其中，钛由海绵钛提供，V由Al-V中间合金提供，Al由纯Al和Al-V中间合金提供，Cr由纯Cr提供，Fe由纯Fe提供得到混合原料；按设计成分混合后压制成电极，采用真空自耗电弧熔炼炉将所述电极熔炼二次制备得到直径为160mm合金铸锭，在液压机或锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造，锻造温度为1050℃，变形量约为50％。之后合金在900℃进行二次锻造成1000mm×80mm×40mm的方棒变形量为75％，之后把合金切割为40mm×40mm×20mm方块并且在780℃(相变点以下30-50℃)三次锻造成约320mm×10mm×10mm的长条状，变形量约为75％。将上述制得的棒材进行固溶时效处理，该合金在790℃固溶处理0.5小时后空冷，在500℃时效处理6小时空冷至室温，测定合金强度和塑性。所得的棒材取样，热处理，热处理完毕后进行结构和性能的表征。
从图2中可以看出，本实施例热处理后的低成本高强度高钛合金的微观组织主要是球状α相和次生α相组成的双态组织，从表1可知，该合金抗拉强度达到1560MPa，延伸率达到3.2％，该低成本高强高塑性钛合金的强度超过了现有的多数合金，在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。
实施例3：
本实施例的一种低成本高强度高钛合金，包括下述重量百分比的化学元素:Cr：6％，Fe：1％，Al：6％，V：4％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述本实施例的一种低成本高强度高钛合金的制备方法为：
按上述比例称量海绵钛、Al-V中间合金、纯Al、纯Cr，纯Fe，其中，钛由海绵钛提供，V由Al-V中间合金提供，Al由纯Al和Al-V中间合金提供，Cr由纯Cr提供，Fe由纯Fe提供得到混合原料；按设计成分混合后压制成电极，采用真空自耗电弧熔炼炉将所述电极熔炼二次制备得到直径为160mm合金铸锭，在液压机或锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造，锻造温度为1050℃，变形量约为50％。之后合金在900℃进行二次锻造成1000mm×80mm×40mm的方棒变形量为75％，之后把合金切割为40mm×40mm×20mm方块并且在780℃(相变点以下30-50℃)三次锻造成约320mm×10mm×10mm的长条状，变形量约为75％。将上述制得的棒材进行固溶时效处理，该合金在790℃固溶处理0.5小时后空冷，在650℃时效处理6小时空冷至室温，测定合金强度和塑性。所得的棒材取样，热处理，热处理完毕后进行结构和性能的表征。
从图3中可以看出，本实施例热处理后的低成本高强度高钛合金的微观组织主要是长条状α相，球状α相和次生α相组成的偏向于等轴组织，从表1可知，该合金抗拉强度达到1153MPa，延伸率达到13％，该低成本高强高塑性钛合金的强度超过了现有的多数合金，在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。
表1实施例1～3的低成本高强高塑性钛合金的力学性能表
实施例 热处理制度 Rm/MPa Rp0.2/Mpa A/％
实施例1 740℃/0.5h/AC+500℃/6h/AC 1329 1287 7.6
实施例2 790℃/0.5h/AC+500℃/6h/AC 1560 1477 3.2
实施例3 790℃/0.5h/AC+650℃/6h/AC 1153 1106 13.1
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)

1.一种低成本高强度高钛合金，其特征在于，所述钛合金的重量百分比组成为：Cr：3～8％，Fe：0.5～2％，Al：4～7.75％，V：3～5％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高强度高钛合金，其特征在于，所述钛合金的重量百分比组成为：Cr：5～7％，Fe：0.8～1.5％，Al：5.5～6.75％，V：3.5～4.75％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种低成本高强度高钛合金，其特征在于，所述钛合金的重量百分比组成为：Cr：6％，Fe：1％，Al：6％，V：4％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的元素。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种低成本高强度高钛合金，其特征在于，所述钛合金的钼当量[Mo]当为9～19.5，铝当量[A1]当为4～8；
[Mo]当的计算公式为：[Mo]当＝0.67V+1.6Cr+2.85Fe；
[A1]当的计算公式为：[A1]当＝Al。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的一种低成本高强度高钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比，称取海绵钛、Al-V中间合金、纯Al、纯Cr，纯Fe，得到混合原料；
(2)将步骤(1)所得的混合原料压制成电极；
(3)将步骤(2)所得的电极经过二次熔炼，制成Ti-Al-Cr-Fe-V合金铸锭；
(4)将步骤(3)所得的Ti-Al-Cr-Fe-V合金铸锭开坯第一次锻造，得到大尺度锻件；
(5)对步骤(4)所得的大尺寸锻件进行第二次锻造，得到较大尺寸棒材；
(6)对步骤(5)所得的较大尺寸棒材进行第三次锻造，得到小尺寸棒材；
(7)对步骤(6)所得的小尺寸棒材取样后进行固溶处理，空冷；然后进行时效处理，空冷，得到所述的一种低成本高强度高钛合金。
6.根据权利要求5所述的一种低成本高强度高钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述第一次锻造的温度为1000℃～1050℃，变形量为40～60％。
7.根据权利要求6所述的一种低成本高强度高钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述第二次锻造的温度为850～900℃，变形量为65～85％。
8.根据权利要求7所述的一种低成本高强度高钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述第三次锻造的温度为750～800℃，变形量为75～95％。
9.根据权利要求5～8任一项所述的一种低成本高强度高钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述固溶处理的温度为740℃～840℃，时间为0.5～1h。
10.根据权利要求9所述的一种低成本高强度高钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述时效处理的温度为500～650℃，时间为4～8h。
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