CN107779669B

CN107779669B - 一种用于加工压力管材的钛合金及其制备方法

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Publication number: CN107779669B
Application number: CN201711188661.1A
Authority: CN
Inventors: 张旺峰; 张晖; 王玉会; 李野; 李兴无
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: CN107779669A

Abstract

本发明公开了一种用于加工压力管材的钛合金及其制备方法，特别涉及用于制作飞机和发动机及各种武器装备管路系统用管材的钛合金，该合金成分的重量百分比组成为：Al：4～5％；V：2～4％；Fe：0.3～0.6％；余量为Ti；或者再加Zr：1.2～1.8％；其中，杂质元素总量≤0.3％,且间隙杂质元素C≤0.05％，N≤0.02％；H≤0.015％；O≤0.12％。本发明合金经[Al]_当量、[V]_当量设计，通过合理的热加工、冷加工及热处理，该钛合金在抗拉强度等力学性能上超过现有的TA18钛合金，但仍保持良好的冷加工性能和焊接性，可以用于经轧制等冷成形工艺制造钛合金液压等系统用管材，也可用于制造承力结构用管材。

Description

一种用于加工压力管材的钛合金及其制备方法

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，尤其涉及一种用于加工压力管材的高强度和高塑性的钛合金及其制备方法。

技术背景

钛合金由于比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天、舰船、兵器、化工、汽车、医疗等领域得到广泛应用，钛合金用量的大小也是航空装备先进程度的重要标志之一。正因为如此，从减重及长寿命设计角度而言，钛合金管材在飞机及发动机上也成为首选材料。钛合金管材除了具有比强度高的减重优势外(同等强度的钛合金替代现有Cr-Ni系不锈钢管可减重42％)，高强度钛合金管材由于可提高管路的压力等级，还可进一步减重，据报道伊顿为空客A380飞机设计制造的液压管路系统由于提高了管路压力，使A380的总重量减少了一吨以上，减重效果十分明显；另据研究，钛合金制成的管路、散热器等部件，寿命可比不锈钢提高10倍左右，因此，在飞机和发动机上使用钛合金管材可同时满足减重和长寿命双重要求。

目前，用于制作管材的钛合金主要有工业纯钛和TC1、TC2、TA16、Ti-3Al-2.5V(TA18)钛合金，工业纯钛和TC1、TC2、TA16一般强度级别不大于600MPa；Ti-3Al-2.5V退火态强度级别为620MPa，即使是冷轧加去应力退火态也只能达到860MPa强度级别。用于飞机和发动机液压、燃油等系统的管材主要是Ti-3Al-2.5V。随着航空等武器装备管路压力等级的提高，Ti-3Al-2.5V制成的管材，由于强度等级的限制，无法满足新一代武器装备管路压力的提高的要求，如果用Ti-6Al-4V钛合金制作管材，虽然强度等级高可以达到管路压力对材料的强度要求，但由于材料塑性低，除了制备困难、容易产生缺陷外，在使用时，弯曲、扩口、压扁、以及与管接头连接等工艺塑性差，因而，不适合采用冷成形方法制备管材，特别是用于飞机和发动机液压燃油等系统的管材。

钛合金专利CN 102181747 B公开了“一种具有良好冷热成形性的α+β型钛合金”，抗拉强度高于TC4，塑性也偏低，不适合制造管材。

由于现有的钛合金没用适合制造更高强度、塑性好的钛合金管材材料，因此开发兼具优良冷成形性、可焊性、强度高于Ti-3Al-2.5V，塑性高于Ti-6Al-4V的新钛合金是新一代武器装备管路材料所迫切需求的。

另外，目前对钛合金材料组份设计主要还局限在经验设计的基础上，需要投入较高的实验成本，一旦材料力学性能不符合要求，需要重新调整组份后再进行实验，因此迫切需要建立一种能够对钛合金的成分给出科学指导的数学模型。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种适于制造压力管材的高强度、高塑性的钛合金材料及其制备方法，所述钛合金的力学性能明显优于TA18合金，并具有优良的冷成形性和可焊性；还提供了一种钛合金材料的成分设计模型。

本发明的技术方案一是提供一种用于加工压力管材的兼具高强度和高塑性的钛合金，所述钛合金的组份及重量百分比为：Al：4～5％；V：2～4％；Fe：0.3～0.6％；余量为Ti；其中：杂质元素总量≤0.3％，且间隙杂质元素C≤0.05％，N≤0.02％；H≤0.015％；O≤0.12％，且不含有Mo、Nb、Cr；所述钛合金为近α型或α+β型钛合金。

技术方案一的钛合金材料为Al-V-Fe-Ti四元系合金，该钛合金体系中把Fe作为合金元素添加而非杂质元素，此观点与传统认识明显不同，并且不添加Mo、Nb、Cr等高熔点元素，如果加入这些高熔点元素会使得钛合金的熔炼工艺性变差，塑性及冷加工性能劣化，不适合制造管类零件。

本发明研究发现：在钛合金化过程中，Fe元素是强烈的β相稳定化元素，强化效果显著，加入少量的Fe，可以替代一部分V，不仅可以降低成本，而且对加工性能是有利的；但Fe易产生偏析，在钛材中形成“β斑”缺陷，导致组织性能不均匀，在Fe含量超过0.6％时，β相转变温度下降明显，钛合金的高温性能劣化，不适于高温下长期服役；但Fe含量小于0.3％时，通常是作为杂质元素对待，对钛合金材料的强化效果不明显；因此本发明中将Fe的添加量控制在0.3～0.6％。

经测试：所述退火态钛合金的抗拉强度σ_b不低于780MPa、屈服强度σ_0.2不低于660MPa、延伸率δ₅不低于12％，具有优良的冷成形性和可焊性，可用于高温服役环境，尤其适于制造飞机、发动机液压燃油等系统的压力管材。

并且，本发明开创性地研究了所述技术方案一的钛合金退火态的抗拉强度σ_b与Al、V、Fe的关系，其满足下式(1)：

σ_b＝σ₀+m[Al]_当量+n[V]_当量……………………………(1)

其中，[Al]_当量＝％Al+K₀

[V]_当量＝％V+2.43·％Fe

式中：σ_b为抗拉强度，单位MPa

σ₀为一基础强度，取值为230～240，单位MPa；

m为Al当量的强度修正系数，取值为60；

n为V当量的强度修正系数，取值为29～30，优选取值为29.4；

％Al、％V、％Fe分别表示Al、V、Fe元素的重量百分比；

K₀为各种杂质元素O、N、C等的Al当量和，取值为3.6-4.0，优选3.8。

并且，还研究了所述钛合金退火态的延伸率δ₅与Al、V、Fe的关系，其满足下式(2)：

δ₅＝δ₀－c[Al]_当量－d[V]_当量……………………………(2)

式中：[Al]_当量＝％Al+K₀

[V]_当量＝％V+2.43·％Fe

δ₀为一基础塑性，取值为28～29,优选取值为28.7；

c为Al当量的延伸率系数，取值为1.40-1.50，式(2)中优选取值为1.42；

d为V当量的延伸率系数，取值为0.50-0.70，式(2)中优选取值为0.60；

％Al、％V、％Fe分别表示Al、V、Fe元素的重量百分比；

K₀为杂质元素O、N、C的Al当量和，取值为3.6-4.0，优选3.8。

优选地，本发明方案一所述钛合金的[Al]_当量为7.8-8.9，[V]_当量为2.7-5.5。

本发明的技术方案二是提供一种用于加工压力管材的兼具高强度和高塑性的钛合金，所述钛合金的组份及重量百分比为：Al：4～5％；V：2～4％；Fe：0.3～0.6％；Zr：1.2～1.8％，余量为Ti；其中，杂质元素总量≤0.3％，且间隙杂质元素C≤0.05％，N≤0.02％；H≤0.015％；O≤0.12％，不含有Mo、Nb、Cr；所述钛合金为近α型或α+β型钛合金。

技术方案二的钛合金是Ti-Al-Zr-V-Fe五元系钛合金，不添加Mo、Nb、Cr等高熔点元素，利用Fe和Zr的耦合作用，获得尤其适于制造压力管材的、兼具高强度和高塑性，还有良好的压力加工性能和可焊接性、具有优异的高温性能的钛合金材料。

研究发现：Zr和钛是同族的中性元素，溶解度大，属于α相强化元素，可以起到提高室温及高温拉伸强度，同时也能稳定β相，减少或抑制时效脆性相，使合金具有良好的压力加工能、焊接性，获得优异的高温性能。

进一步地，所述方案二的钛合金退火态的抗拉强度σ_b与Al、V、Fe、Zr的关系满足下式(3)：

σ_b＝σ₀+m[Al]_当量+n[V]_当量……………………………(3)

其中，[Al]_当量＝％Al+％Zr/3+K₀

[V]_当量＝％V+2.43·％Fe

式中：σ_b为抗拉强度，单位MPa

σ₀为基础强度，取值为230～240，单位MPa；

m为Al当量的强度修正系数，取值为60；

n为V当量的强度修正系数，取值为29～30，式(1)中优选取值为29.4；

％Al、％V、％Zr、％Fe分别表示Al、V、Zr、Fe元素的重量百分比％；

K₀为杂质元素O、N、C的Al当量和，取值为3.6-4.0，优选3.8。

所述方案二的钛合金退火态的延伸率δ₅与Al、V的关系满足下式(4)：

δ₅＝δ^* ₀－c^*[Al]_当量－d^*[V]_当量……………………………(4)

其中，[Al]_当量＝％Al+％Zr/3+K₀

[V]_当量＝％V+2.43·％Fe

式中：δ^* ₀为基础塑性，取值为27～28；

c^*为Al当量的延伸率系数，取值为1.20-1.30，式(4)中优选取值为1.27；

d^*为V当量的延伸率系数，取值为0.65-0.75，式(4)中优选取值为0.68；

％Al、％V、％Fe分别表示Al、V、Fe元素的重量百分比；

K₀为杂质元素O、N、C的Al当量和，取值为3.6-4.0，优选3.8。

优选的，本发明方案二的钛合金的[Al]_当量为8.2-9.5，[V]_当量为2.7-5.5。

本发明的所述钛合金满足上述式(1)至式(4)，使得各组分之间的耦合协同作用达到最佳。经测试，所述方案一的退火态钛合金的抗拉强度σ_b不低于780MPa、屈服强度σ_0.2不低于660MPa、延伸率δ₅不低于12％，具有优良的冷成形性和可焊性，可用于高温服役环境。所述方案二的退火态钛合金的抗拉强度σ_b不低于810MPa、屈服强度σ_0.2不低于700MPa、延伸率δ₅不低于12％，兼具高强度和高塑性，并具有良好的压力加工性能、可焊接性和优异的高温性能。

本发明还提供了采用所述方案一、方案二的钛合金加工管材的方法，包括以下步骤：

(1)按照钛合金成分配制合金原料；

(2)混料后压制成电极，在真空自耗电弧炉中熔炼多次后获得合金铸锭；

(3)铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、反复墩拔后得到成品棒材；

(4)成品棒材经钻镗孔处理后进行包套；

(5)加热后进行挤压，挤压成管坯；

(6)管坯经多道次冷轧和表面处理，再进行真空退火后得成品管材。

优选的，步骤(3)中开坯锻造加热温度为1050℃～1150℃，反复墩拔的加热温度为合金β转变温度以下40℃～100℃。

作为选择地，步骤(5)可采用加热后进行斜轧穿孔的制备工艺。

作为选择地，步骤(6)中可采用旋锻替代冷轧工艺。

本发明具有以下突出的技术效果:

(1)本发明的钛合金，不仅在力学性能方面明显超过TA18合金，兼具了高强度和高塑性，而且保持良好的冷成形性和焊接性，可以用于制造许多可冷加工成形且强度明显高于TA18合金的管材及复杂零部件。

(2)本发明所述Al-V-Fe-Ti四元合金钛合金退火态的抗拉强度σ_b不低于780MPa、屈服强度σ_0.2不低于660MPa、延伸率δ₅不低于12％；制成管材去应力退火态强度级别可达1000MPa以上、延伸率δ₅₀不低于11％，并具有优良的冷成形性和可焊性，可用于高温服役环境，尤其适于制造飞机、发动机液压燃油等系统的压力管材。

(3)本发明所述Al-V-Fe-Ti-Zr五元钛合金退火态的抗拉强度σ_b不低于810MPa、屈服强度σ_0.2不低于700MPa、延伸率δ₅不低于12％；制成管材去应力退火态强度级别可达1000MPa以上、延伸率δ₅₀不低于11％，并兼具高强度和高塑性，还有良好的压力加工性能和可焊接性、以及优异的高温性能，尤其适于制造飞机和发动机液压燃油等系统的压力管道。

(4)本发明首次将所述钛合金含有的间隙杂质元素O、N、C纳入了[Al]_当量，确定了这些杂质元素O、N、C对[Al]_当量贡献当量值为3.6-4.0(优选3.8)，为钛合金体系中控制这些间隙杂质元素含量与提高钛合金强度和塑性之间建立了定量的科学依据。

(5)本发明在作为钛合金β相稳定度指标的[V]_当量计算中，首次确定了Fe元素对β相稳定度的贡献，并以此确定了[V]_当量的计算方法，进而建立了[Al]_当量、[V]_当量与本发明所述钛合金体系的力学性能的关系，本发明式(1)-式(4)所提供的模型分别为设计Al-V-Fe-Ti四元系合金、Al-V-Fe-Ti-Zr五元系的成分设计提供了定量化、科学化的依据，很好地满足了科学研究或工业化生产对兼具高强度和高塑性的钛合金成分设计需要。

(6)本申请的钛合金材料由于合金组元不复杂、成分不高、杂质元素控制严格，不添加Mo、Nb、Cr等高熔点元素，因此焊接性能优良，也不含有Ni、Cu等元素，且V含量仅为2-4％，有利于降低生产成本，促进钛合金在各工业领域的应用范围和规模，尤其是新一代武器装备管路材料，具有重要意义。

具体实施方式

表1为本发明技术方案一所述的钛合金成分、[Al]_当量和[V]_当量值、以及退火态棒材的力学性能；

表2为本发明技术方案二所述的钛合金成分、[Al]_当量和[V]_当量值、以及退火态棒材的力学性能。

表3为本发明所述技术方案一的钛合金制成管材的力学性能；

表4为本发明所述技术方案二的钛合金制成管材的力学性能。

实施例1:

按表1中序号1-9所述钛合金的化学成分配制合金料，原材料使用Al-65％V中间合金、V-50％Fe中间合金、0级海绵钛和纯Al；混料后压制成电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭；合金的[Al]当量，[V]当量符合对合金的铝、钒当量要求。铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，铸锭经β相区开坯，在α+β两相区精锻成Φ130mm棒坯；将棒坯一部分制成Φ16mm棒材用于材料性能测试结果见表1；一部分用于制备管材，主要步骤为：将Φ130mm棒坯在2500t卧式挤压机上挤成Φ45mm×8mm合金管坯；通过在两辊LG和三辊LD轧机上进行多道次冷轧和表面处理，再在真空退火炉中进行退火后，退火包括普通退火和去应力退火，普通退火温度为650-800℃，去应力退火温度为480-620℃，制成Φ6mm×0.5mm的管材，经力学性能测试，获得的力学性能指标列在表3中；显微组织观察可知，所述钛合金为近α型或α+β型钛合金。

实施例2：

按表2中序号10-18所述钛合金的化学成分配制合金料，原材料使用Al-75％V中间合金、V-50％Fe中间合金、0级海绵钛、火器海绵锆和纯Al。混料后压制成电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭；合金的[Al]_当量，[V]_当量符合对合金的铝、钒当量要求；铸锭扒皮、切去冒口和尾端后；铸锭先进行自由锻，再经精锻锻造成φ130mm棒材。将棒坯一部分制成Φ16mm棒材用于材料性能测试结果列在表2中；一部分用于制备管材，主要步骤为：将φ130mm棒材经钻镗孔处理后进行包套，再经加热后在1600t挤压机上进行挤压成Φ45mm管坯，通过在两辊LG和三辊LD轧机上进行多道次冷轧和表面处理，再在经真空退火炉中退火后，制成Φ25mm×1.8mm的管材成品，经力学性能测试，获得的力学性能指标列在表4中；显微组织观察可知，所述钛合金为近α型或α+β型钛合金。

表1

表2

表3

表4

Claims

1.一种用于加工压力管材的兼具高强度和高塑性的钛合金的优化设计方法，其特征在于，所述钛合金各组份的重量百分比为：Al：4～5％但不包含4％点值；V：2～4％但不含4％的点值；Fe：0.3～0.6％，余量为Ti；其中，杂质元素所占重量百分比≤0.3％，在所述钛合金中各杂质元素及重量百分比为：C≤0.05％，N≤0.02％；H≤0.015％；O≤0.12％，且杂质元素中不含有Mo、Nb、Cr；所述钛合金为近α型或α+β型钛合金；所述钛合金的[Al]_当量＝％Al+K₀，[V]_当量＝％V+2.43·％Fe，元素O、N、C对[Al]_当量贡献的当量和K₀为3.6-4.0；式中％Al、％V、％Fe分别表示Al、V、Fe元素的重量百分比；

所述钛合金退火态的抗拉强度σ_b与Al、V、Fe的关系满足下式(1)：

σ_b＝σ₀+m[Al]_当量+n[V]_当量……………………………(1)

式中：σ_b为抗拉强度，单位MPa；

σ₀为一基础强度，取值为230～240，单位MPa；

m为Al当量的强度修正系数，取值为60；

n为V当量的强度修正系数，取值为29～30；

所述钛合金退火态的延伸率δ₅与Al、V、Fe的关系满足下式(2)：

δ₅＝δ₀－c[Al]_当量－d[V]_当量……………………………(2)

式中：

δ₀为一基础塑性，取值为28～29；

c为Al当量的延伸率系数，取值为1.40-1.50；

d为V当量的延伸率系数，取值为0.50-0.70；

％Al、％V、％Fe分别表示Al、V、Fe元素的重量百分比；

K₀为杂质元素O、N、C的Al当量和，取值为3.6-4.0。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钛合金退火态棒材的抗拉强度σ_b不低于780MPa、屈服强度σ_0.2不低于660MPa、延伸率δ₅不低于12％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，式(1)中n取值为29.4。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，K₀取值为3.8。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，式(2)中δ₀为28.7。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，式(2)中c为1.42。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，式(2)中d为0.60。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述钛合金的[Al]_当量为7.8-8.9，[V]_当量为2.7-5.5。

9.一种用于加工压力管材的兼具高强度和高塑性的钛合金的优化设计方法，其特征在于，所述钛合金的组份及重量百分比为：Al：4～5％，但不包含4％点值；V：2～4％，但不包含4％点值；Fe：0.3～0.6％；Zr：1.2～1.8％，余量为Ti；且杂质元素所占重量百分比≤0.3％，且所述钛合金中各杂质元素及重量百分比为：C≤0.05％，N≤0.02％；H≤0.015％；O≤0.12％，不含有Mo、Nb、Cr；所述钛合金为近α型或α+β型钛合金；所述钛合金的[Al]_当量＝％Al+％Zr/3+K₀，[V]_当量＝％V+2.43·％Fe，元素O、N、C对[Al]_当量贡献的当量和K₀为3.6-4.0，式中％Al、％V、％Zr、％Fe分别表示Al、V、Zr、Fe元素的重量百分比；

所述钛合金退火态的抗拉强度σ_b与Al、V、Fe、Zr的关系满足下式(3)：

σ_b＝σ₀+m[Al]_当量+n[V]_当量……………………………(3)；

式中：σ_b为抗拉强度，单位MPa；

σ₀为基础强度，取值为230～240，单位MPa；

m为Al当量的强度修正系数，取值为60；

n为V当量的强度修正系数，取值为29～30。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述钛合金棒材退火态的抗拉强度σ_b不低于810MPa、屈服强度σ_0.2不低于700MPa、延伸率δ₅不低于12％。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，式(3)中n取值为29.4。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，K₀为3.8。

13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述钛合金退火态的延伸率δ₅与Al、V、Zr、Fe的关系满足下式(4)：

式中：δ^* ₀为基础塑性，取值为27～28；

c^*为Al当量的延伸率系数，取值为1.20-1.30；

d^*为V当量的延伸率系数，取值为0.65-0.75；

％Al、％V、％Fe分别表示Al、V、Fe元素的重量百分比；

K₀为杂质元素O、N、C等的Al当量和，取值为3.6-4.0。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，K₀取值为3.8。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，式(4)中δ^* ₀为27.7。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，式(4)中c^*为1.27。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，式(4)中d^*为0.68。

18.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述钛合金的[Al]_当量为8.2-9.5，[V]_当量为2.7-5.5。

19.一种采用前述权利要求1-18中任一所述的钛合金制备管材的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照所述钛合金组份及重量百分比配制合金原料；

(3)铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、反复墩拔后得到棒材；

(4)棒材经钻镗孔处理后进行包套；

(5)加热后进行挤压，制得管坯；

(6)所述管坯经多道次冷轧和表面处理，再进行真空退火后得成品管材；

(7)管材经真空热处理，得到退火态或去应力退火态的管材。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：步骤(3)中开坯锻造加热温度为1050℃～1150℃。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：步骤(3)中反复墩拔的加热温度为合金β转变温度以下40℃～100℃。