CN108425036A - 一种高强塑积钛合金及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强塑积钛合金，包括Ti、Cr、Mo、Sn、Al以及Zr；其中，Ti元素的质量占钛合金总质量的75％以上。本发明提供的高强塑积钛合金拥有优异的抗拉强度和延伸率，其强塑积可达40GPa·％以上。本发明提供的兼具高强度、高塑性、高加工硬化率及高能量吸收能力的低成本钛合金，可以大大拓宽高强钛合金的应用范围，可加工成板材与型材，应用于航空、航天、船舶及汽车等领域，极具应用价值。

Description

一种高强塑积钛合金及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及合金材料领域，具体涉及一种高强塑积钛合金及其制备方法与应用。

背景技术

钛合金作为重要的结构金属材料，因其密度低、强度高、耐蚀性好及使用温度宽等优点，广泛应用于航空制造业中结构件、弹性构件及连接件的设计及制造。近些年随着航空制造业的发展，钛合金的使用量变得越来越大，比如美国波音787飞机中钛合金的使用量比重达到15％。但是，随着航空航天装备设计理念的升级，以及汽车轻量化的发展，对低成本高强韧钛合金的性能提出了更高的要求。

目前，已开发的高强钛合金的抗拉强度可达1000～1800MPa，但其延伸率只有4～30％，且加工硬化率较低；一般钛合金的强塑积(抗拉强度和延伸率的乘积)低于30GPa·％，普遍低于TWIP高强钢，造成其较低的能量吸收能力而限制了钛合金的应用范围。另外，多数高强钛合金中含有大量的V元素增加了合金的成本。

因此，开发一种兼具高强度、高塑性、高加工硬化率及高能量吸收能力的低成本钛合金，可以大大拓宽高强钛合金的应用范围。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种高强塑积的钛合金。本发明提供的钛合金具有良好的抗拉强度，优异的延伸率，其强塑积≥40GPa·％，大大提高了钛合金的能量吸收能力。

具体而言，本发明提供的高强塑积的钛合金中包括钛Ti、铬Cr、钼Mo、锡Sn、铝Al以及锆Zr；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，提高材料的整体强塑积值。具体而言：

本发明优选所述钛合金中铬、钼、锡、铝以及锆的质量比为5～8：3.5～6：1～3：1～3：0.5～2，更优选为6～7.5：4～5：1～2：1.5～2.5：0.5～1.5。

本发明优选所述钛合金中含有Cr 5～8％，Mo 3.5～6％，Sn 1～3％，Al 1～3％以及Zr 0.5～2％，更优选含有Cr 6～7.5％，Mo 4～5％，Sn 1～2％，Al 1.5～2.5％以及Zr0.5～1.5％。

本发明优选所述钛合金中含Cr 5～8％，Mo 3.5～6％，Sn 1～3％，Al 1～3％以及Zr 0.5～2％，余量为Ti；更优选含有Cr 6～7.5％，Mo 4～5％，Sn 1～2％，Al 1.5～2.5％以及Zr 0.5～1.5％，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。

本发明在钛合金设计中，基于d电子理论，使其和的数值(所述和顶部的横线均代表平均的含义)分别位于2.32～2.39和2.76～2.80的范围内，从而使得合金拥有较高的塑性和加工硬化率；根据传统的钼当量([Mo]eq)设计方法，[Mo]eq＝10～15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)以及中性型元素(Sn、Zr)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，进一步优化各元素的相对用量，从而得到了一种兼具强度和塑性的钛合金。另外，为降低合金的成本，在合金设计时未添加合金元素V及稀土元素。

本发明同时提供所述高强塑积钛合金制备方法，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，轧制成形。

其中，含各元素的原料可采用本领域常规的金属原料。例如：含有Ti元素的原料可选用海绵Ti颗粒，含有Cr元素的原料可选用纯Cr片，含有Mo和/或Al元素的原料可选用Al-Mo中间合金，含有Sn元素的原料可选用纯Sn颗粒，含有Zr元素的原料可选用海绵Zr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。所述锻造的方法优选为：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。

对所述锻造后的产物轧制成形，即可得到高强塑积钛合金产品。

本发明同时保护所述高强塑积钛合金在航空、航天、船舶和/或汽车制造领域中的应用。

本发明基于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并调整其添加含量，以使得设计合金的和的数值落在合适的范围内，从而使得合金具备TWIP(孪晶诱发塑性)和TRIP(相变诱发塑性)效应，以增强合金的加工变形能力。本发明提供的兼具高强度、高塑性、高加工硬化率及高能量吸收能力的低成本钛合金，可以大大拓宽高强钛合金的应用范围，可加工成板材与型材，应用于航空、航天、船舶及汽车等领域，极具应用价值。

附图说明

图1为实施例1提供的高强塑积钛合金的室温能量拉伸曲线。

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高强塑积钛合金，其元素组成为：Cr 6％，Mo 4％，Sn 2％，Al2％，Zr 1％，余量为Ti。

本实施例提供的高强塑积钛合金采用如下方法制备而成：

(1)按照个成分重量百分比，分别称取海绵Ti颗粒、纯Cr片、Al-Mo中间合金、纯Sn颗粒、以及海绵Zr颗粒作为原料；

(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；

(5)终轧制成形，得到最终高强塑积钛合金。

对本实施例提供的高强塑积钛合金为Ti-6Cr-4Mo-2Al-2Sn-1Zr合金，其中和的数值分别为2.37和2.78，钼当量为13.6，该合金属于近β型钛合金。

该高强塑积钛合金经β固溶处理水冷后，抗拉强度可到达820MPa，屈服强度可达到670MPa，延伸率可达52％，可媲美于1级高纯钛合金的塑性，其强塑积≥42GPa·％，该合金的室温能量拉伸曲线如图1所示。

该高强塑积钛合金经β固溶处理水冷并进行时效处理后，合金的抗拉强度可达1507MPa，屈服强度为1453MPa，延伸率为4％。

该高强塑积钛合金经β固溶处理炉冷至时效温度并进行时效处理后，合金的抗拉强度可达985MPa，屈服强度为910MPa，延伸率为16％。

实施例2

本实施例提供了一种高强塑积钛合金，其元素组成为：Cr 6.5％，Mo 4.5％，Sn1.5％，Al 2％，Zr 1％，余量为Ti。

制备方法同实施例1。

经检测，本实施例提供的钛合金的强塑积＞40GPa·％。

实施例3

本实施例提供了一种高强塑积钛合金，其元素组成为：Cr 7％，Mo 5％，Sn 1％，Al2％，Zr 1％，余量为Ti。

制备方法同实施例1。

经检测，本实施例提供的钛合金的强塑积＞40GPa·％。

实施例4

本实施例提供了一种高强塑积钛合金，其元素组成为：Cr 7％，Mo 4％，Sn 1％，Al2％，Zr 1％，余量为Ti。

制备方法同实施例1。

经检测，本实施例提供的钛合金的强塑积＞40GPa·％。

实施例5

本实施例提供了一种高强塑积钛合金，其元素组成为：Cr 7.5％，Mo 4％，Sn1.5％，Al 2％，Zr 1％，余量为Ti。

制备方法同实施例1。

经检测，本实施例提供的钛合金的强塑积＞40GPa·％。

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)

1.一种高强塑积钛合金，其特征在于，包括Ti、Cr、Mo、Sn、Al以及Zr；其中，Ti元素的质量占钛合金总质量的75％以上。

2.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述铬、钼、锡、铝以及锆的质量比为5～8：3.5～6：1～3：1～3：0.5～2，优选为6～7.5：4～5：1～2：1.5～2.5：0.5～1.5。

3.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金中含有Cr 5～8％，Mo 3.5～6％，Sn 1～3％，Al 1～3％以及Zr 0.5～2％；

优选地，所述钛合金中含有Cr 6～7.5％，Mo 4～5％，Sn 1～2％，Al 1.5～2.5％以及Zr 0.5～1.5％。

4.根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金中含有Cr 5～8％，Mo 3.5～6％，Sn 1～3％，Al 1～3％以及Zr 0.5～2％，余量为Ti；

优选地，所述钛合金中含有Cr 6～7.5％，Mo 4～5％，Sn 1～2％，Al 1.5～2.5％以及Zr 0.5～1.5％，余量为Ti。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金的强塑积≥40GPa·％。

6.权利要求1～5任意一项所述高强塑积钛合金制备方法，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，轧制成形。

7.根据权利要求6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。

8.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。

9.根据权利要求6～8任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述锻造的方法为：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。

10.权利要求1～5任意一项所述高强塑积钛合金或权利要求6～9任意一项所述方法制备而成的高强塑积钛合金在航空、航天、船舶和/或汽车制造领域中的应用。