CN108677060B - 一种高强度高弹性耐热钛合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度高弹性耐热钛合金及制备方法，所述合金的组份为Ti‑Nb‑Zr‑V‑O，各元素重量百分比为：wt％Nb＝35wt％‑1.5wt％V，式中wt％Nb和wt％V分别表示Nb、V元素的重量百分比；V：0wt％＜V≤4.0wt％；Zr：1.8～2.2wt％；O：0.29～0.31wt％，余量为Ti。合金制备的具体步骤是：采用真空非自耗电弧炉熔炼获得成分均匀的合金铸锭，经热锻成棒材后在900～1000℃固溶处理，水冷至室温；随后冷轧变形加工，变形量为80～90％；最后进行时效热处理，其加热温度为490℃～510℃，保温时间为8～10h。本发明钛合金具有高强度和较低弹性模量，弹性变形能力(屈服强度与弹性模量比值)优于现有各种高弹性β钛合金，十分适合制作航空航天和机械等领域的轻质耐热高弹性部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度高弹性耐热钛合金及制备方法，属于钛合金材料设计及制备技术领域。
背景技术
近年来，高超声速飞行器是我国航天航空领域的研究热点之一，这类飞行速度超过5倍音速的飞行器有着巨大的军事价值和潜在经济价值。在高超声速飞行器发展过程中，用于可变形机翼的轻质、耐热和高弹性材料的研发是一大难点，这是因为该类飞行器在飞行过程中，由于气动热载荷效应，其机翼前缘温度高达400～500℃，机翼材料必须耐热；另一方面，为减轻重量、简化驱动机构以及尽可能增大升阻比，高超声速飞行器需通过柔性翼肋机构，实现机翼前、后缘连续变弯，以改变翼形和攻角，从而获得最佳的气动特性，也即为保证高超声速飞行器正常工作，其机翼前、后缘材料不仅需要较好的耐热性，还要具有较高的弹性变形能力。
弹性材料的主要特征参数为柔韧性指数，其值可用屈服强度σ0.2与弹性模量E的比值(σ0.2/E)来表示，σ0.2/E越大，弹性变形能力越强。经高温时效后的合金在温度循环变化时(不高于时效温度)，其显微组织不发生变化，因此，可通过时效温度的高低及该温度下时效后合金的σ0.2/E值来衡量其是否满足高弹性及耐热的性能要求。钛合金具有强度高、密度低、弹性模量低等优良特性，因此被广泛应用于航天航空领域。然而传统高强度钛合金Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)与低弹性模量钛合金Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn(Beta-Ⅲ)经500℃左右温度时效后，其E值均超过95GPa，σ0.2/E小于1.3％，无法满足高超声速飞行器的耐热弹性部件的性能要求。因此，为满足高超声速飞行器机翼前、后缘材料等使用要求，需进一步探索、设计并制备出新型钛合金，使其经500℃左右的高温时效后，具有高强度、低弹性模量和高σ0.2/E值，从而具备优异的耐热和弹性变形能力。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种具有高强度和高弹性的耐热钛合金成分及其制备方法，使一系列成分的钛合金经固溶、冷轧处理及500℃左右高温时效后，均具有高强度、低弹性模量和高σ0.2/E值，从而具备优异的耐热和弹性变形能力。
技术方案：本发明的一种高强度高弹性耐热钛合金的组份为Ti-Nb-Zr-V-O，其中各元素重量百分比为：Nb：29.0～35.0wt％；V：0wt％＜V≤4.0wt％；Zr：1.8～2.2wt％；O：0.29～0.31wt％，余量为Ti，其中wt％Nb＝35wt％-1.5wt％V，式中wt％Nb表示Nb元素的重量百分比，wt％V表示V元素的重量百分比。
本发明的一种高强度高弹性耐热钛合金的制备方法包括以下步骤：
第一步：根据钛合金成分，以Ti、Nb、Zr、V和TiO2为原料配制合金；
第二步：将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中反复熔炼，得到成分均匀的铸锭；
第三步：将铸锭热锻成棒材，经固溶处理后投入水中淬火冷却；
第四步：车削去除棒材表面的氧化皮，然后在室温下进行冷形变加工；
第五步：将棒材置于石英管中抽真空密封，在热处理炉中进行时效热处理，随后投入水中冷却至室温。
所述Ti、Nb、Zr、V和TiO2原材料，纯度为99.9wt％以上。
所述热锻，加热温度为800～900℃，变形量为75～85％，在空气中进行。
所述固溶处理，加热温度为900～1000℃，保温时间为50～60min。
所述冷形变加工，为冷轧变形，其变形量为80～90％。
所述时效热处理，其时效温度为490℃～510℃，保温时间为8～10h。
有益效果：本发明基于以下思路设计和制备高强度高弹性的耐热钛合金：①钛有α和β两种相结构，其中β相的弹性模量低于α相。②通过β稳定化元素Nb和V的联动变化设计出系列近β钛合金成分，其三大电子参数基本相近(e/a＝4.22，Bo＝2.85～2.86，Md＝2.42～2.45)，保证了合金经固溶和冷轧处理后具有相近的高强度和较低弹性模量；同时合金的Mo[eq]与Kβ数值在合理的小范围内变化(Mo[eq]＝9.72～10.7，Kβ＝1.23～1.29)，经500℃左右高温时效后在β相基体中仅析出少量的高模量α相，使合金仍保持较低弹性模量。③添加少量氧元素(～0.30wt％)，既可以显著提高β相的强度，又可以将α相的峰值析出温度推向更高温度，从而使合金经500℃左右高温时效后仅析出少量的α相，保持较高的σ0.2/E值；另一方面，少量氧元素的添加可使合金时效后保持良好的塑性，延伸率δ＞10％。④经高温时效后的合金在温度循环变化时(不高于时效温度)，其显微组织不发生变化，因此，可通过时效温度的高低及该温度下时效后合金的σ0.2/E值来衡量其是否满足高弹性及耐热的性能要求。
1、本发明设计得到的合金成分按重量百分比可表示为：Ti-(35-1.5x)Nb-(1.8～2.2)Zr-xV-(0.29～0.31)O，其中0＜x≤4。该系列成分钛合金经固溶、冷轧处理及500℃左右高温时效后，均具有高强度、低弹性模量和高σ0.2/E值，从而具备优异的耐热和弹性变形能力。
2、本发明合金的抗拉强度σb为1127.3～1149.3MPa，屈服强度σ0.2为1023.8～1058.5MPa，弹性模量E为67.8～70.1GPa，σ0.2/E比值高达1.50～1.53％，延伸率δ＝11.0～11.7％。该系列合金的耐热和弹性性能显著优于现有各种高强度和高弹性的β钛合金，塑性良好，十分适合制作航空航天和机械等领域的轻质耐热高弹性部件，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为Ti-34.7Nb-1.8Zr-0.2V-0.30O合金效处理后的XRD图谱；其中a为Ti-34.7Nb-1.8Zr-0.2V-0.30O合金经90％冷轧+490℃时效处理10h后的XRD图谱，b为Ti-34.7Nb-1.8Zr-0.2V-0.30O合金经90％冷轧+510℃时效处理9h后的XRD图谱，可见合金主要由β相构成，时效后析出少量α相。
图2为Ti-29.0Nb-2.0Zr-4.0V-0.31O合金时效处理后的XRD图谱，其中，a为Ti-29.0Nb-2.0Zr-4.0V-0.31O合金经80％冷轧+490℃时效处理8h后的XRD图谱，b为Ti-29.0Nb-2.0Zr-4.0V-0.31O合金经80％冷轧+510℃时效处理10h后的XRD图谱，可见合金主要由β相构成，时效后析出少量α相。
图3为Ti-34.7Nb-1.8Zr-0.2V-0.30O合金效处理后的SEM形貌，其中，a为Ti-34.7Nb-1.8Zr-0.2V-0.30O合金经90％冷轧+490℃时效处理10h后的SEM形貌，b为Ti-34.7Nb-1.8Zr-0.2V-0.30O合金经经90％冷轧+510℃时效处理9h后的SEM形貌，可见合金时效后在β基体上析出少量针状α相。
图4为Ti-29.0Nb-2.0Zr-4.0V-0.31O合金时效处理后的SEM形貌，其中，a为Ti-29.0Nb-2.0Zr-4.0V-0.31O合金经80％冷轧+490℃时效处理8h后的SEM形貌，b为Ti-29.0Nb-2.0Zr-4.0V-0.31O合金经80％冷轧+510℃时效处理10h后的SEM形貌，可见合金时效后在β基体上析出少量针状α相。
具体实施方式
本发明利用三大电子参数(e/a、Bo、Md)及Mo[eq]、Kβ设计合金成分，所设计得到的合金三大电子参数基本相近(e/a＝4.22，Bo＝2.85～2.86，Md＝2.42～2.45)，保证了合金经固溶和冷轧后具有相近的高强度和较低弹性模量。同时合金的Mo[eq]与Kβ数值在合理的小范围内变化(Mo[eq]＝9.72～10.7，Kβ＝1.23～1.29)，使β合金在高温时效后仅析出少量的高模量α相，仍保持较低弹性模量。含有Ti、Nb、Zr、V元素的合金三大电子参数(e/a、Bo、Md)及Mo[eq]、Kβ的计算公式分别为：
e/a＝(wt％Ti×1.963+wt％Nb×0.054+wt％Zr×0.435+wt％V×0.098)/(wt％Ti×0.021+wt％Nb×0.011+wt％Zr×0.011+wt％V×0.020)；
Bo＝(wt％Ti×0.058+wt％Nb×0.033+wt％Zr×0.034+wt％V×0.056)/(wt％Ti×0.021+wt％Nb×0.011+wt％Zr×0.011+wt％V×0.020)；
Md＝(wt％Ti×0.051+wt％Nb×0.027+wt％Zr×0.032+wt％V×0.037)/(wt％Ti×0.021+wt％Nb×0.011+wt％Zr×0.011+wt％V×0.020)；
Mo[eq]＝wt％V/1.5+wt％Nb/3.6；
Kβ＝wt％V/14.9+wt％Nb/28.4；
式中wt％Ti、wt％Nb、wt％Zr与wt％V分别为Ti、Nb、Zr与V元素的重量百分比。
为进一步理解本发明，下面结合具体实施例对本发明方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1：
以高纯度的Ti、Nb、V、Zr和TiO2(TiO2中，Ti：60％；O：40％)为原料配制合金，各组分重量为：Nb：34.7wt％；V：0.2wt％；Zr：1.8wt％；O：0.30wt％，余量为Ti。将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中反复熔炼五次，得到成分均匀的铸锭。将铸锭在800℃热锻成棒材，变形量为85％。经1000℃固溶处理50min后投入水中淬火冷却。车削去除棒材表面的氧化皮，然后在室温下进行变形量为80％的冷轧变形。将棒材置于石英管中抽真空密封，在热处理炉中加热至490℃保温10h，随后在空气中冷却至室温。力学性能为：σb＝1131.5MPa，σ0.2＝1042.5MPa，E＝69.5GPa，σ0.2/E＝1.50％，δ＝11.7％。
实施例2：
以高纯度的Ti、Nb、V、Zr和TiO2(TiO2中，Ti：60％；O：40％)为原料配制合金，各组分重量为：Nb：32.0wt％；V：2.0wt％；Zr：2.2wt％；O：0.31wt％，余量为Ti。将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中反复熔炼五次，得到成分均匀的铸锭。将铸锭在830℃热锻成棒材，变形量为75％。经970℃固溶处理55min后投入水中淬火冷却。车削去除棒材表面的氧化皮，然后在室温下进行变形量为85％的冷轧变形。将棒材置于石英管中抽真空密封，在热处理炉中加热至510℃保温9h，随后在空气中冷却至室温。力学性能为：σb＝1149.3MPa，σ0.2＝1058.5MPa，E＝70.1GPa，σ0.2/E＝1.51％，δ＝11.0％。
实施例3：
以高纯度的Ti、Nb、V、Zr和TiO2(TiO2中，Ti：60％；O：40％)为原料配制合金，各组分重量为：Nb：29.0wt％；V：4.0wt％；Zr：2.0wt％；O：0.30wt％，余量为Ti。将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中反复熔炼五次，得到成分均匀的铸锭。将铸锭在900℃热锻成棒材，变形量为80％。经930℃固溶处理55min后投入水中淬火冷却。车削去除棒材表面的氧化皮，然后在室温下进行变形量为90％的冷轧变形。将棒材置于石英管中抽真空密封，在热处理炉中加热至510℃保温8h，随后在空气中冷却至室温。力学性能为：σb＝1134.8MPa，σ0.2＝1046.5MPa，E＝68.4GPa，σ0.2/E＝1.53％，δ＝11.4％。
实施例4：
以高纯度的Ti、Nb、V、Zr和TiO2(TiO2中，Ti：60％；O：40％)为原料配制合金，各组分重量为：Nb：30.5wt％；V：3.0wt％；Zr：2.0wt％；O：0.29wt％，余量为Ti。将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中反复熔炼五次，得到成分均匀的铸锭。将铸锭在870℃热锻成棒材，变形量为75％。经900℃固溶处理60min后投入水中淬火冷却。车削去除棒材表面的氧化皮，然后在室温下进行变形量为85％的冷轧变形。将棒材置于石英管中抽真空密封，在热处理炉中加热至500℃保温9h，随后在空气中冷却至室温。力学性能为：σb＝1127.3MPa，σ0.2＝1023.8MPa，E＝67.8GPa，σ0.2/E＝1.51％，δ＝11.2％。
Claims (2)
1.一种高强度高弹性耐热钛合金的制备方法，其特征在于，所述的钛合金组份为Ti-Nb-Zr-V-O，其中各元素重量百分比为：Nb：29.0~35.0wt%；V：0wt%＜V≤4.0wt%；Zr：1.8~2.2wt%；O：0.29~0.31wt%，余量为Ti；
该方法包括以下步骤：
第一步：根据钛合金成分，以Ti、Nb、Zr、V和TiO2为原料配制合金；
第二步：将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中反复熔炼，得到成分均匀的铸锭；
第三步：将铸锭热锻成棒材，经固溶处理后投入水中淬火冷却；
第四步：车削去除棒材表面的氧化皮，然后在室温下进行冷形变加工；
第五步：将棒材置于石英管中抽真空密封，在热处理炉中进行时效热处理，随后在空气中冷却至室温；
所述钛合金成分中，wt%Nb =35wt% -1.5wt%V，式中wt%Nb表示Nb元素的重量百分比，wt%V表示V元素的重量百分比；
所述热锻，加热温度为800~900℃，变形量为75~85%，在空气中进行；
所述固溶处理，加热温度为900~1000℃，保温时间为50~60min；
所述冷形变加工，为冷轧变形，其变形量为80~90%；
所述时效热处理，加热温度为490℃~510℃，保温时间为8~10h。
2.根据权利要求1所述的一种高强度高弹性耐热钛合金的制备方法，其特征在于，所述Ti、Nb、Zr、V和TiO2原材料，纯度为99.9wt%以上。
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