CN108396175A - 一种低成本高强钛合金及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本高强钛合金，包括Ti、Mo、Cr、Al、Sn以及Fe；其中，钛元素的质量占钛合金总质量的75％以上。本发明同时提供了所述钛合金的制备方法，为了降低所述钛合金的整体成本，本发明优选所述合金中的Al、Mo、Cr和Fe元素均以Al‑Mo、Mo‑Fe和Cr‑Fe的中间合金形式添加。本发明提供的低成本高强钛合金拥有优异的抗拉强度和延伸率，可加工成棒材、板材与型材等，且具有较低的使用成本，在航空、航天、海洋勘探、船舶制造和/或汽车制造领域中具有广泛的应用价值。

Description

一种低成本高强钛合金及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种低成本高强钛合金及制备方法与应用。

背景技术

钛及钛合金因其密度低、强度高、无磁性、焊接性能好及使用温度宽等优点，尤其是海水环境中优异的耐蚀性，是一种优异的海洋金属结构材料。国内外舰船制造企业为提高舰船设备运行的可靠性及使用寿命，对钛及钛合金的研究十分重视。高强钛合金作为钛合金重要的研究方向之一，因其广泛用于结构件、弹性构件、连接件及壳体的设计及制造，成为目前钛合金研究的热点。

但是，已开发应用的大多数高强钛合金中含有价格较高的金属钒、锆、铌等合金元素，造成了高强钛合金原材料成本过高，限制了高强钛合金的使用范围。而且随着海洋平台的建造，深海装备的发展，以及汽车设计理念的升级，都对轻质高强结构材料的需求日益增加。开发低成本高强钛合金成为解决以上问题的一个突破口。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种低成本高强钛合金，该合金具有优异的抗拉强度与屈服强度，良好的延伸率，可降低高强钛合金的使用成本，为扩大高强钛合金的使用范围提供有力的支持。

具体而言，本发明提供一种低成本高强钛合金，其中包括钛Ti、钼Mo、铬Cr、铝Al、锡Sn以及铁Fe；其中，钛元素的质量占钛合金总质量的75％以上，优选为78％以上。

本发明充分结合了钛合金中合金元素的作用机理以及各金属元素的成本，同时基于钛合金设计中d电子理论，使设计合金和的数值分别位于2.32～2.39和2.76～2.80的范围内(所述和 顶部的横线均代表平均的含义)，从而使得合金拥有较高的塑性和加工硬化率。具体而言，本发明根据传统的钼当量([Mo]eq＝1.0(％Mo)+0.67(％V)+0.44(％W)+0.28(％Nb)+0.22(％Ta)+2.9(％Fe)+1.6(％Cr)-1.0(％Al))设计方法，[Mo]eq＝8～16时合金具有较高的强度；根据多元合金化理论及不同合金元素在钛合金中拥有不同强化作用，选取了β同晶型元素(Mo)、β共析型元素(Cr，Fe)以及中性型元素(Sn)以增强合金的固溶强化能力，以及添加α稳定型元素(Al)以调整合金的和数值。本发明从大量可选元素中针对性地选取了钼、铬、铝、锡以及铁作为述钛合金的主要合金元素，而未添加钒、锆、铌及稀土等合金元素，通过选择特定的金属组合，可以使所得钛合金具有成本低、强度高、塑性强等优势。

本发明优选所述钛合金为亚稳β型钛合金。

本发明进一步对各元素的相对用量进行优选，以确保各元素之间发挥协同作用，提高材料的整体的抗拉强度、屈服强度以及延伸率。具体而言：

本发明优选所述钛合金中Mo、Cr、Al、Sn以及Fe的质量比为3.5～6：3.5～6：2～4：1～3：0.5～3，更优选为4～5：4～6：2～3：1～2：1～2。

本发明优选所述钛合金中含有Mo 3.5～6％，Cr 3.5～6％，Al 2～4％，Sn 1～3％以及Fe 0.5～3％，更优选含有Mo 4～5％，Cr 4～6％，Al 2～3％，Sn 1～2％以及Fe 1～2％。

本发明优选所述钛合金中含Mo 3.5～6％，Cr 3.5～6％，Al 2～4％，Sn 1～3％，Fe 0.5～3％，余量为Ti；更优选含有，Mo 4～5％，Cr 4～6％，Al 2～3％，Sn 1～2％以及Fe1～2％，余量为Ti。

在实际生产过程中，钛合金中会掺入极少量不可避免的杂质，所述杂质的含量在本领域允许范围内即可。

本发明同时提供所述低成本高强钛合金的制备方法，具体包括如下步骤：取含各元素的原料，混合后熔炼成铸锭，经均匀化热处理后，锻造或轧制成形。

为了降低所述钛合金的整体成本，本发明优选所述合金中的Al、Mo、Cr和Fe元素均以Al-Mo、Mo-Fe和Cr-Fe的中间合金形式添加。具体而言，含有Ti元素的原料可选用海绵Ti颗粒，含有Al元素的原料可选用中间合金Al-Mo，含有Mo元素的原料可选用所述中间合金Al-Mo或Mo-Fe，含有Cr元素的原料可选用中间合金Cr-Fe，含有铁元素的原料可选用所述中间合金Mo-Fe或所述中间合金Cr-Fe，含有Sn元素的原料可选用纯Sn颗粒。

本发明优选在熔炼之前，先将原料混合均匀后压制成自耗电极块体，然后对电极块体之间进行焊接。所述焊接可采用钨极亚弧焊焊接方法，焊接时采用高纯度(99.99％以上)氩气。

本发明优选采用真空自耗电弧炉对所述焊接后的电极块体进行熔炼。所述熔炼可进行两次或三次，以形成铸锭。

本发明优选在真空、1000℃～1100℃条件下对所述铸锭进行均匀化热处理，所述热处理的时间优选为10～15小时。在热处理前，可对铸锭先进行扒皮，并切除冒口和底部。

本发明对进行所述均匀化热处理后的铸锭进行锻造或轧制成形。所述锻造或轧制的方法优选为：先在β转变温度之上50℃～100℃进行开坯锻造，然后在β转变温度以下60℃～100℃进行多次(如3次)反复锻造或轧制。

经所述锻造或轧制成形后，即可得到含铁低成本高强钛合金产品。

由于本发明提供的钛合金拥有优异的抗拉强度和延伸率，可加工成棒材、板材与型材等，在舰船、深潜装备、海洋平台等海水环境，以及航空、航天、汽车等制造领域均有极强的应用价值。本发明同时保护所述含铁低成本高强钛合金在航空、航天、海洋勘探、船舶制造和/或汽车制造领域中的应用。

本发明参考各金属元素的市场价格，基于d电子理论和多元合金化原理，通过选择不同固溶强化能力的合金元素及调整其添加含量，以使得设计合金的和的数值落在合适的范围内。本发明通过选择特定的金属组合，并进一步对各金属元素的含量进行优化，所得钛合金具有优异的抗拉强度与屈服强度，良好的延伸率，且具有较低的使用成本，在航空、航天、海洋勘探、船舶制造和/或汽车制造领域中具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为实施例1所得钛合金经β及α+β固溶处理的拉伸性能曲线示意图。

图2为实施例1所得钛合金经α+β固溶后时效态合金的拉伸性能曲线示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供了一种低成本高强钛合金，其元素组成为：Mo 4％，Cr 4％，Al 3％，Sn 2％，Fe 2％，余量为Ti。

本实施例提供的低成本高强钛合金采用如下方法制备而成：

(1)按照各成分重量百分比，分别称取海绵Ti颗粒、中间合金Al-Mo、中间合金Mo-Fe、中间合金Cr-Fe以及纯Sn颗粒；

(2)将称取的原料进行搅拌均匀混合后压制成自耗电极块体，采用钨极亚弧焊焊接方法对电极块体之间进行焊接，焊接用氩气纯度为99.99％；采用真空自耗电弧炉进行三次熔炼制备成铸锭；

(3)对所述铸锭进行扒皮、切除冒口和底部后，在真空热处理炉中对铸锭进行1050℃均匀化热处理12小时；

(4)对所述均匀化热处理后的铸锭，先在β转变温度之上60℃进行开坯锻造，然后在β转变温度以下80℃进行3次反复锻造或轧制，得到最终高强塑积钛合金。

本实施例提供的钛合金为Ti-4Mo-4Cr-3Al-2Sn-2Fe合金，其和的数值分别为2.37和2.78，[Mo]_eq为13.2，属于亚稳β型钛合金。

参考表1所示来源于长江有色金属网和中国钢材价格网(2018年5月)的金属价格进行计算，本实施例提供的钛合金原料价格相比于高强钛合金Ti-17降低了16％，本实施例提供的钛合金原料价格相比于高强钛合金Ti-1023降低了88％。可见，本发明提供的低成本高强钛合金在未来的使用中拥有良好的竞争力。

表1：钛及其合金元素的价格分析

元素	Ti	Mo	Cr	Al	Sn	Fe
							价格(万元/吨)	5.6	24.4	6.8	1.4	14.6	0.4
元素	V	Nb	Zr	Mo-Fe中间合金	Cr-Fe中间合金
							价格(万元/吨)	270	65	23.7	11.1	0.87

本实施例提供的低成本高强钛合金经β固溶处理水冷后，抗拉强度可到达1080MPa，屈服强度可达到1036MPa，延伸率可达22％；经α+β固溶处理水冷后，抗拉强度可到达1060MPa，屈服强度可达到1017MPa，延伸率可达24％。两种状态合金的室温拉伸曲线如图1所示。该实验结果表明，该状态高强钛合金拥有较高的抗拉强度与优异的塑性配合关系，即抗拉强度大于等于1060MPa时，其延伸率大于等于22％。

本实施例提供的低成本高强钛合金经α+β固溶处理水冷后，进行不同温度的时效处理，得到合金的抗拉强度为1438～1575MPa，屈服强度为1355～1512MPa，延伸率为3～8％。时效态合金的室温拉伸曲线如图2所示。该实验结果表明，该状态高强钛合金拥有超高抗拉强度与良好塑性的配合关系。

实施例2

本实施例提供了一种低成本高强钛合金，其元素组成为：Mo 4％，Cr 4％，Al 3％，Sn 1％，Fe 1.5％，余量为Ti。

制备方法同实施例1。

本实施例提供的低成本高强钛合金中和数值分别为2.37和2.77，[Mo]_eq为11.75，该合金属于亚稳β型钛合金。经检测，本实施例提供的钛合金具有较高的抗拉强度与优异的塑性配合关系。

实施例3

本实施例提供了一种低成本高强钛合金，其元素组成为：Mo 5％，Cr 4％，Al 2％，Sn 2％，Fe 2％，余量为Ti。

制备方法同实施例1。

本实施例提供的低成本高强钛合金中和数值分别为2.36和2.78，[Mo]_eq为15.2，该合金属于亚稳β型钛合金。经检测，本实施例提供的钛合金具有较高的抗拉强度与优异的塑性配合关系。

实施例4

本实施例提供了一种低成本高强钛合金，其元素组成为：Mo 4％，Cr 5％，Al 3％，Sn 2％，Fe 1.5％，余量为Ti。

制备方法同实施例1。

本实施例提供的低成本高强钛合金中和数值分别为2.36和2.77，[Mo]_eq为13.35，该合金属于亚稳β型钛合金。经检测，本实施例提供的钛合金具有较高的抗拉强度与优异的塑性配合关系。

实施例5

本实施例提供了一种低成本高强钛合金，其元素组成为：Mo 4％，Cr 6％，Al 3％，Sn 2％，Fe 1％，余量为Ti。

制备方法同实施例1。

本实施例提供的低成本高强钛合金中和数值分别为2.36和2.77，[Mo]_eq为13.5，该合金属于亚稳β型钛合金。经检测，本实施例提供的钛合金具有较高的抗拉强度与优异的塑性配合关系。

由以上结果可知，本发明的钛合金拥有优异的抗拉强度和延伸率，可加工成棒材、板材与型材等，应用于舰船、深潜装备、海洋平台等海水环境，以及航空、航天、汽车等制造领域。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种低成本高强钛合金，其特征在于，包括Ti、Mo、Cr、Al、Sn以及Fe；其中，钛元素的质量占钛合金总质量的75％以上，优选为78％以上。

2.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金为亚稳β型钛合金。

3.根据权利要求1或2所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金中Mo、Cr、Al、Sn以及Fe的质量比为3.5～6：3.5～6：2～4：1～3：0.5～3，优选为4～5：4～6：2～3：1～2：1～2。

4.根据权利要求1或2所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金中含有Mo 3.5～6％，Cr3.5～6％，Al 2～4％，Sn 1～3％以及Fe 0.5～3％，优选含有Mo 4～5％，Cr 4～6％，Al 2～3％，Sn 1～2％以及Fe 1～2％。

5.根据权利要求1或2所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金中含Mo 3.5～6％，Cr3.5～6％，Al 2～4％，Sn 1～3％，Fe 0.5～3％，余量为Ti；优选地，所述钛合金中含Mo 4～5％，Cr 4～6％，Al 2～3％，Sn 1～2％以及Fe 1～2％，余量为Ti。

6.权利要求1～5任意一项所述低成本高强钛合金，其特征在于，包括如下步骤：取含各元素的原料，混合后熔炼成铸锭，经均匀化热处理后，锻造或轧制成形。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述钛合金中Al、Mo、Cr和Fe元素的原料均为含有至少一种上述元素的中间合金；

优选的，含有Al元素的原料为中间合金Al-Mo，含有Mo元素的原料为所述中间合金Al-Mo或中间合金Mo-Fe，含有Cr元素的原料为中间合金Cr-Fe，含有铁元素的原料为所述中间合金Mo-Fe或所述中间合金Cr-Fe。

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，在所述熔炼之前，先将原料混合均匀后压制成自耗电极块体，然后对电极块体之间进行焊接；优选所述焊接采用钨极亚弧焊焊接方法。

9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，在真空、1000℃～1100℃条件下对所述铸锭进行均匀化热处理；

和/或，所述锻造或轧制的方法为：先在β转变温度之上50℃～100℃进行开坯锻造，然后在β转变温度以下60℃～100℃进行多次反复锻造或轧制。

10.权利要求1～5任意一项所述的低成本高强钛合金在航空、航天、海洋勘探、船舶制造和/或汽车制造领域中的应用。