CN107746993A - 一种高强度高塑性α+β型钛合金及其制备方法 - Google Patents

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王振宇
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    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Abstract

本发明公开了一种高强度高塑α+β型钛合金及其制备方法，所述钛合金的重量百分比组成为：Zr：20～30％，Al：4.5～7.75％，V：3～5％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。制备方法包括以下步骤：按照配比，海绵钛、Al‑V中间合金、纯Al、纯Zr，原料混合后压制成电极；经二次熔炼，制成Ti‑Al‑Zr‑V合金铸锭；开坯第一次锻造，得到大尺度锻件；第二次锻造，得较大尺寸棒材；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，所得的α+β型钛合金低成本、高强度高塑性等优点。

Description

一种高强度高塑性α+β型钛合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及本发明属于金属材料制备加工技术领域，尤其涉及一种高强度高塑性α+β型钛合金及其制备方法。
背景技术
目前广泛应用的商业高强度以钛元素为主的α+β型钛合金有Ti62222S(Ti6Al2Sn2Mo2Cr2Zr0.25Si)Ti-6242(Ti6Al2Sn4Zr6Mo)和BT23(Ti5Al4.5V2Mo1Cr0.6Fe)这些合金强度主要在1100～1200Mpa，合金强度低；另外在开发中的以双合金元素为主的α+β型钛合金，成本极高，如专利号为201310541532.1，“一种钛锆基合金的制备方法”所述钛合金中所含合金元素重量百分比为：Al：5％；V：3％；Zr：30％-51％；虽然其合金的抗拉强度(微米尺寸检测)达到了1500Mpa级别，延伸率(微米尺寸检测)达到7～8％，但是，该合金中Zr含量很高，甚至超过了50％，是一种Ti-Zr合金而不是传统意义上的钛合金，由于Zr的密度较高，高的Zr含量会降低次合金的比强度(即相同重量下合金的强度)；且Zr具有高成本，高的Zr含量必将导致合金成本上升。另外，该专利所介绍的加工方法及性能检测方法中提到，该合金所提供的样品和拉伸试样是厚度为0.3mm(300μm)的样品，已经达到了微米级别，众所周知，金属材料存在普遍存在尺寸效应，即合金尺寸下降某个临界尺寸(通常为微米级)或者以下时，通常强度，塑性等性能会有较大幅度的变动(通常会使强度塑性大幅提高)，所以该专利所述合金在正常尺寸样品时性能不可能有其微米尺寸性能高。此外，该尺寸的样品并不适合实际应用。该专利所提供的资料来看，其所表现出的性能优势主要是由于其复杂的热加工工艺，即在室温下进行轧制，而室温轧制对轧机要求很高，而且效率缓慢，这无疑也增加了成本。因此，有必要开发一种低成本、高强度高塑性的以钛元素为主的以α+β型钛合金。
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、高强度高塑性的以钛元素为主的以α+β型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：
一种高强度高塑α+β型钛合金，所述钛合金的重量百分比组成为：Zr：20～30％，Al：4.5～7.75％，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：Zr：23～28％，Al：5～7％，V：3.5～4.5％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛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：Zr：25％，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。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种如上述的高强度高塑性α+β型钛合金的制备方法，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Zr，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-Zr-V合金铸锭；
(4)将步骤(3)所得的Ti-Al-Zr-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，得到所述的高强度高塑性α+β型钛合金。
优选地，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％。
优选地，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％。
优选地，所述步骤(6)中，所述第三次锻造的温度为750～780℃，变形量为80～95％。
优选地，所述步骤(7)中，所述固溶处理的温度为740℃～820℃，时间为0.5～1h。
优选地，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、本发明的高强度高塑α+β型钛合金，以钛为主体元素，以Zr，V，Al为稳定元素，而没有使用Cr，Fe等共析元素，可以防止出现脆性金属间化合物，使钛合金铸锭不容易发生元素偏析现象。其中，本发明含有较多的中性元素稳定元素Zr，Zr是一种广泛应用的钛合金添加元素，一般认为Zr是中性元素，Ti-Zr相图中α转变β是连续的，它在α相和β相中都能连续固溶，Zr能明显减小合金的晶粒尺寸，提高了合金的抗拉强度，并保持一定的塑性；且钛合金中Zr含量的增加有助于合金高温性能的提高，而高温钛合金在航天航空领域有重要应用。与现在常用的以钛元素为主的α+β型钛合金TC4(强度约900MPa)相比，本发明的α+β型钛合金抗拉强度达到了1236～1365MPa，并保持了超过7％的塑性。并且，强度也高于商业以钛元素为主的α+β型高强度钛合金(如Ti62222S、Ti-6242、BT23等，这些合金强度主要在1100～1200Mpa)。
2、本发明通过对制备工艺的全新探索，使得本发明只有20～30％的Zr含量的α+β型钛合金的强度达到1236～1365Mpa，并保持了超过7％的塑性；与专利号为201310541532.1，以钛锆双合金元素为主的“一种钛锆基合金的制备方法”相比，本发明具有更低的原料成本和加工成本和更低的材料密度，是真正传统意义上的以钛元素为主的α+β型钛合金。另外，制作工艺简单易行，具备更强的实用性和可操作性；且本发明性能测试所采用的合金拉伸样品厚度为3mm，样品形状按照国家标准GB/T228-2002制定，按照本发明的实验方法可以获得大块具有实用性质且能保证高强高塑性的合金(也即，制备成大尺寸锻件，也能保证合金强度达到1236～1365Mpa，并且保持良好塑性)；因此，本发明的高强α+β型钛合金可用以生产应用于高强结构件中的各种锻件，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1三次锻造后的成品实物图。
图2为实施例1制备的高强度高塑α+β型钛合金的微观组织图。
图3为实施例1制备的高强度高塑α+β型钛合金的微观组织图。
图4为实施例1制备的高强度高塑α+β型钛合金的微观组织图。
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：
本实施例的高强度高塑α+β型钛合金，包括下述重量百分比的化学元素:Zr：25wt.％，Al：6wt.％，V：4wt.％，O：≤0.2wt.％，C：≤0.08wt.％，N：≤0.05wt.％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述本实施例的高强度高塑α+β型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Zr，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，Zr由纯Zr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℃(相变点以上100-150℃)，变形量约为50％。之后合金在900℃(相变点以上10-20℃)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80mm×40mm×10mm方块并且在780℃(相变点以下40-50℃)三次锻造成约320mm×10mm×10mm的长条状(如图1所示)，变形量约为87％。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，热处理完毕后取样(样品形状按照国家标准GB/T228-2002制定)，测定合金强度和塑性，进行结构和性能的表征。
图2为本实施例热处理后的低成本高强高塑性钛合金的微观组织图，由图可知，本实施例热处理后的低成本高强高塑性钛合金的微观组织主要是粗细相间的α相的网篮组织，和少量的球状α相；从表1可知，该合金抗拉强度达到1313MPa，延伸率达到7％，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。
另按照专利号为201310541532.1的取样方式(长×宽×厚＝5mm×2mm×0.3mm)对本实施例热处理完毕后的棒材取样，测得本实施例的抗拉强度为1495MPa，延伸率为8％，说明本发明的Zr含量为主的α+β型钛合金与Ti和Zr含量为主的钛锆基合金强度和塑性相差不大，而成本大大降低。
实施例2：
本实施例的高强度高塑α+β型钛合金，包括下述重量百分比的化学元素:Zr：25wt.％，Al：6wt.％，V：4wt.％，O：≤0.2wt.％，C：≤0.08wt.％，N：≤0.05wt.％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述本实施例的高强度高塑α+β型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Zr，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，Zr由纯Zr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℃(相变点以上100-150℃)，变形量约为50％。之后合金在900℃(相变点以上10-20℃)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80mm×40mm×10mm方块并且在780℃(相变点以下40-50℃)三次锻造成约320mm×10mm×10mm的长条状，变形量约为87％。将上述制得的棒材进行固溶时效处理，该合金在780℃固溶处理0.5小时后空冷，在550℃时效处理6小时空冷至室温，热处理完毕后取样(样品形状按照国家标准GB/T228-2002制定)，测定合金强度和塑性，进行结构和性能的表征。
图3为本实施例热处理后的低成本高强高塑性钛合金的微观组织图，由图可知，本实施例热处理后的低成本高强高塑性钛合金的微观组织主要是粗大片状初生的α相和细针状次生α相；从表1可知，该合金抗拉强度达到1236MPa，延伸率达到10％，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：
本实施例的高强度高塑α+β型钛合金，包括下述重量百分比的化学元素:Zr：25wt.％，Al：6wt.％，V：4wt.％，O：≤0.2wt.％，C：≤0.08wt.％，N：≤0.05wt.％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述本实施例的高强度高塑α+β型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Zr，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，Zr由纯Zr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℃(相变点以上100-150℃)，变形量约为50％。之后合金在900℃(相变点以上10-20℃)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80mm×40mm×10mm方块并且在780℃(相变点以下40-50℃)三次锻造成约320mm×10mm×10mm的长条状，变形量约为87％。将上述制得的棒材进行固溶时效处理，该合金在820℃固溶处理0.5小时后空冷，在550℃时效处理6小时空冷至室温，热处理完毕后取样(样品形状按照国家标准GB/T228-2002制定)，测定合金强度和塑性，进行结构和性能的表征。
图4为本实施例热处理后的低成本高强高塑性钛合金的微观组织图，由图可知，本实施例热处理后的低成本高强高塑性钛合金的微观组织由纯片层组织构成；从表1可知，该合金抗拉强度达到1365MPa，延伸率达到7％，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℃/1h/AC+500℃/6h/AC 1313 1228 7.03
实施例2 780℃/1h/AC+550℃/6h/AC 1236 1143 10.15
实施例3 820℃/1h/AC+550℃/6h/AC 1365 1275 7.02
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 (9)

1.一种高强度高塑α+β型钛合金，其特征在于，所述钛合金的重量百分比组成为：Zr：20～30％，Al：4.5～7.75％，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所述的一种高强度高塑性α+β型钛合金，其特征在于，所述钛合金的重量百分比组成为：Zr：23～28％，Al：5～7％，V：3.5～4.5％，O：≤0.2％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，余量为钛余量为钛和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高强度高塑性α+β型钛合金，其特征在于，所述钛合金的重量百分比组成为：Zr：25％，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。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的高强度高塑性α+β型钛合金的制备方法，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Zr，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-Zr-V合金铸锭；
(4)将步骤(3)所得的Ti-Al-Zr-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，得到所述的高强度高塑性α+β型钛合金。
5.根据权利要求4所述的高强度高塑性α+β型钛合金的制备方法，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％。
6.根据权利要求5所述的高强度高塑性α+β型钛合金的制备方法，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％。
7.根据权利要求6所述的高强度高塑性α+β型钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述第三次锻造的温度为750～780℃，变形量为80～95％。
8.根据权利要求4～7任一项所述的高强度高塑性α+β型钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述固溶处理的温度为740℃～820℃，时间为0.5～1h。
9.根据权利要求8所述的高强度高塑性α+β型钛合金的制备方法，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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