CN107858558B - 一种超塑性钛合金板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超塑性钛合金，该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt％)为：Al：2～4、V：2～4、Fe：0.2～2、Mo：0.2～3、Cr：0.2～3、Nb：0.2～3、O：0.1～0.3、Ni：0～4.5、Co：0～5，余量为Ti。本发明还公开了一种采用该超塑性钛合金制备板材的方法。本发明的钛合金及钛合金板材具有优异室温和高温力学性能匹配，满足超塑成形时对钛合金的要求。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种超塑性钛合金板材及其制备方法。
背景技术
随着航空航天领域的快速发展，对材料自身减重和综合性能提出了更高的要求。为了满足上述要求，超塑性钛合金的研制工作受到了人们的高度重视。超塑性加工可制备综合性能良好的钛合金，具有一次成型、尺寸公差小、材质均匀等特点，主要用于制造大尺寸和形状复杂的零件，可减少连接件的使用，降低零件质量，节约成本。目前应用最广泛的超塑性钛合金为Ti-6Al-4V合金，但其超塑成形温度通常高于900℃，且应变速率较低，成形过程中会降低合金抗氧化性，产生过多的α相，使得合金延伸率降低。因此，Ti-6Al-4V合金并非最佳超塑成形材料，需要探索具有低温超塑性成形新型钛合金。
目前最常用的降低钛合金超塑成形温度的方法有两种：一是合金化，即添加β相稳定元素，降低β转变温度从而降低合金的超塑成形温度；二是细化晶粒，通过对材料进行大变形量的变形，结合控制静态、动态再结晶行为细化晶粒，利用细晶超塑性降低变形温度，提高成形时的应变速率。
发明内容
本发明目的是在于提出一种新型的Ti-Al-V-x(Fe、Mo、Cr、Nb、Ni、Co)系超塑性钛合金板材及其制备方法。
现常用的超塑性钛合金的超塑成形温度通常在850℃以上，应变速率为1×10-3～10-4/s，对设备的要求比较高。目前，常见的超塑性钛合金有TC4、SP700、VST2K、ATI425和Ti54M。这些合金均为Ti-Al-V-Fe-Mo系两相钛合金，考虑到Al元素含量过高会使合金的变形抗力增加，不利于合金的超塑成形，并且会提高合金超塑成形温度；加入过多的V元素会增加合金成本。因此，在对超塑性钛合金进行成分设计时，应适当降低合金中Al、V含量，可选择Fe、Mo、Cr、Nb、Ni、Co等β稳定元素。Fe元素稳定β相能力强，且价格低廉，Mo元素能有效抑制晶粒长大，利于获得细晶超塑性，Cr、Nb、Ni、Co元素的加入可稳定β相，降低相变点，进而降低超塑成形温度。
本发明的技术方案是：一种具有较低成形温度的超塑性钛合金，该合金组成及其各元素含量的百分比(wt％)为Al:2～4，V：2～4，Fe：0.2～2，Mo：0.2～3，Cr：0.2～3，Nb：0.2～3，Ni：0～4.5，Co：0～5，余量为Ti。
上述钛合金中还含有O，重量百分比(wt％)为：0.1～0.3。
本发明的另一技术方案是：一种具有较低成形温度的新型超塑性钛合金制备方法，包括如下步骤：合金采用的原料为0级海绵Ti、金属Al豆、金属Cr、TiO2、Al-V、Al-Mo、Al-Nb、Fe-Mo、Ti-Fe、Al-Ni、Co-Ni中间合金。将海绵Ti、金属Al豆、金属Cr、TiO2和全部中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，通过两次真空自耗电极熔炼制备出超塑性钛合金铸锭。所述铸锭在1000～1020℃开坯。
本发明还有另一技术方案是，一种具有较低成形温度的超塑性钛合金板材，采用上述具有较低超塑成形温度的钛合金制成。
本发明还有另一技术方案是，一种具有较低成形温度的超塑性钛合金板材制备方法，包括如下步骤：将上述方法制备的铸锭在相变点以上开坯，逐步降温进行中间锻造制成板坯，对所述板坯在相变点以下60～70℃充分加热后，轧制成20mm厚的板材，随后对所述板材进行热处理，热处理温度为相变点以下30℃，保温时间2h，冷却方式为空冷。
采用上述加工工艺制备Ti-Al-V-Fe-Mo-Cr-Nb-Ni-Co-O系合金板材，按照GB/T228.2-2010方法进行室温拉伸测试。本发明的合金性能为：室温抗拉强度不低于1000MPa，屈服强度不低于900MPa，延伸率不低于20％；晶粒尺寸不大于5μm；超塑性延伸率不低于1500％；最佳超塑成形温度不高于850℃；变形抗力不高于250MPa。本发明的Ti-Al-V-Fe-Mo-Cr-Nb-Ni-Co-O系合金板材具有优异的室温和高温力学性能匹配，可以获得具有较低成形温度的超塑性钛合金。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但并非因此而限制本发明的内容。下列实施例中的材料均可以通过商业途径购买，其中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
制备Ti-3.5Al-3.5V-1Fe-0.2Mo-0.2Cr-0.2Nb-0.2O合金，原料为0级海绵Ti、金属Al豆、TiO2、金属Cr及Al-V、Ti-Fe、Al-Mo、Al-Nb中间合金，按照成分重量配比，将海绵Ti、金属Al豆、金属Cr、TiO2和中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，在真空自耗电弧炉内经过二次熔炼制备出Ti-3.5Al-3.5V-Fe-0.2Mo-0.2Cr-0.2Nb-0.2O合金铸锭。
用金相法测得铸锭的相变点为915℃。铸锭在1000℃开坯，然后经过中间锻造成板坯，锻造加热温度逐步降至950℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50％，然后对板坯在850℃充分加热后，在轧机上轧制成20mm厚板材。
将上述制得的板材进行885℃/2h，AC固溶处理。从热处理后的板材上取实验样品进行力学性能的测试。室温拉伸性能测试是在MTS万能拉伸试验机上进行，采用YYU-10/50型电子引伸计，试验标准依据GB/T 228.2-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，屈服前和屈服后的拉伸速度均为2mm/min。变形抗力在GLEEBLE1500热模拟机上进行。所测材料性能如表1所示。
表1 Ti-3.5Al-3.5V-1Fe-0.2Mo-0.2Cr-0.2Nb-0.2O合金板材性能
实施例2
制备Ti-3.5Al-3.5V-0.2Fe-0.2Mo-1.8Cr-0.2Nb-0.2O合金，原料为0级海绵Ti、金属Al豆、TiO2、金属Cr、及Ti-Fe、Fe-Mo、Al-V、Al-Nb中间合金，按照成分重量配比，将海绵Ti、金属Al豆、TiO2、金属Cr和中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，在真空自耗电弧炉内经过二次熔炼制备出Ti-3.5Al-3.5V-0.2Fe-0.2Mo-1.8Cr-0.2Nb-0.2O合金铸锭。
用金相法测得铸锭的相变点为930℃。铸锭在1020℃开坯，然后经过中间锻造成板坯，锻造加热温度逐步降至970℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50％，然后对板坯在870℃充分加热后，在轧机上轧制成20mm厚板材。
将上述制得的板材进行900℃/2h，AC固溶处理。从热处理后的板材上取实验样品进行力学性能的测试。室温拉伸性能测试是在MTS万能拉伸试验机上进行，采用YYU-10/50型电子引伸计，试验标准依据GB/T 228.2-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，屈服前和屈服后的拉伸速度均为2mm/min。变形抗力在GLEEBLE1500热模拟机上进行。所测材料性能如表2所示。
表2 Ti-3.5Al-3.5V-0.2Fe-0.2Mo-1.8Cr-0.2Nb-0.2O合金板材性能
实施例3
制备Ti-3.5Al-3.5V-0.2Fe-2.9Mo-0.2Cr-0.2Nb-0.18O合金，原料为海绵Ti、金属Al豆、金属Cr、TiO2及Al-V、Al-Mo、Fe-Mo、Al-Nb中间合金，按照成分重量配比，将海绵Ti、金属Al豆、金属Cr、TiO2和中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，在真空自耗电弧炉内经过二次熔炼制备出Ti-3.5Al-3.5V-0.2Fe-2.9Mo-0.2Cr-0.2Nb-0.18O合金铸锭。
用金相法测得铸锭的相变点为915℃。铸锭在1000℃开坯，然后经过中间锻造成板坯，锻造加热温度逐步降至950℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50％，然后对板坯在850℃充分加热后，在轧机上轧制成20mm厚板材。
将上述制得的板材进行885℃/2h，AC固溶处理。从热处理后的板材上取实验样品进行力学性能的测试。室温拉伸性能测试是在MTS万能拉伸试验机上进行，采用YYU-10/50型电子引伸计，试验标准依据GB/T 228.2-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，屈服前和屈服后的拉伸速度均为2mm/min。变形抗力在GLEEBLE1500热模拟机上进行。所测材料性能如表3所示。
表3 Ti-3.5Al-3.5V-0.2Fe-2.9Mo-0.2Cr-0.2Nb-0.18O合金板材性能
实施例4
制备Ti-3.5Al-3.5V-0.5Fe-0.6Cr-0.6Mo-0.2Nb-0.2O合金，原料为海绵Ti、金属Al豆、TiO2、金属Cr及Al-V、Al-Mo、Fe-Mo、Ti-Fe、Al-Nb中间合金，按照成分重量配比，将海绵Ti、金属Al豆、金属Cr、TiO2和中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，在真空自耗电弧炉内经过二次熔炼制备出Ti-3.5Al-3.5V-0.5Fe-0.6Cr-0.6Mo-0.2Nb-0.2O合金铸锭。
用金相法测得铸锭的相变点为930℃。铸锭在1020℃开坯，然后经过中间锻造成板坯，锻造加热温度逐步降至970℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50％，然后对板坯在870℃充分加热后，在轧机上轧制成20mm厚板材。
将上述制得的板材进行900℃/2h，AC固溶处理。从热处理后的板材上取实验样品进行力学性能的测试。室温拉伸性能测试是在MTS万能拉伸试验机上进行，采用YYU-10/50型电子引伸计，试验标准依据GB/T 228.2-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，屈服前和屈服后的拉伸速度均为2mm/min。变形抗力在GLEEBLE1500热模拟机上进行。所测材料性能如表4所示。
表4 Ti-3.5Al-3.5V-0.5Fe-0.6Cr-0.6Mo-0.2Nb-0.2O合金板材性能
本发明的Ti-Al-V-Fe-Mo-Cr-Nb-Ni-Co-O合金及合金板材具有优异的力学性能匹配，可满足超塑成形时对钛合金的要求。
Claims (5)
1.一种超塑性钛合金，其特征在于：该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt％)为：
Al：2～4，
V：2～4，
Fe：0.2～2，
Mo：0.2～3，
Cr：0.2～3，
Nb：0.2，
O：0.1～0.3，
Ni：0～4.5，
Co：0～5，余量为Ti。
2.权利要求1所述超塑性钛合金的制备方法，包括如下步骤：
所述合金采用的原料为0级海绵Ti、金属Al豆、金属Cr、TiO2、Al-V、Al-Mo、Al-Nb、Fe-Mo、Ti-Fe、Al-Ni、Co-Ni中间合金；将海绵Ti、金属Al豆、金属Cr、TiO2和全部中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，通过两次真空自耗电极熔炼制备出超塑性钛合金铸锭。
3.如权利要求2所述的超塑性钛合金的制备方法，其特征在于，所述铸锭在1000～1020℃开坯。
4.一种超塑性钛合金板材，其特征在于：采用如权利要求1所述的超塑性钛合金制成。
5.一种超塑性钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：将权利要求2所述方法制备的铸锭，在相变点以上开坯，逐步降温进行中间锻造制成板坯，对所述板坯在相变点以下60～70℃充分加热后，轧制成20mm厚的板材；随后对所述板材进行热处理，热处理温度为相变点以下30℃，保温时间2h，冷却方式为空冷。
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