CN108796303A - 一种高强度耐疲劳钛合金棒丝材及其制备方法 - Google Patents

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    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Abstract

本发明涉及一种高强度耐疲劳钛合金棒丝材及其制备方法，属于金属材料加工领域。所述钛合金成分范围为(wt.％)Al：2～5、Cr：3～9、V：6～12、Mo：2～16、Zr：2～8、Ti为余量。具体制备方法为：采用多次真空自耗熔炼方式制备高纯铸锭，铸锭经开坯锻造、热加工、固溶处理后制备成完全β相的棒坯，之后采用控制冷加工变形量和变形方式的方法，配合时效、喷丸和/或喷砂处理工艺，制备得到所需尺寸和截面形状的α+β相的高强钛合金棒丝材。本发明所制得的钛合金棒丝材组织均匀、强度高、耐蚀性好、疲劳性能优良，适用于各种以钛合金棒丝材作为原料加工的相关领域使用。

Description

一种高强度耐疲劳钛合金棒丝材及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金棒丝材制备领域，特别提供一种高强度耐疲劳钛合金棒丝材及其制备方法。
背景技术
钛合金具有高强度、低密度和极好的抗腐蚀能力，可用于石油、天然气和地热深海钻井管道零件、滨海构筑和舰船船体紧固件、高超音速民航客机关键零部件等，尤其是其优良的抗腐蚀性能，特别是在海水和海洋大气中极高的抗蚀性，可用于舰载飞机、水上飞机以及沿海地区服役飞机的结构件和弹簧零件等。其中弹簧零件对钛合金材料的疲劳寿命要求很高，现有钛合金棒丝材通常采用热处理析出相强化的方式提高材料的强度，疲劳寿命不超过105。
本发明所述钛合金的元素组成中既有α相稳定元素Al，又有β相稳定元素Cr、Mo和V，属于一种亚稳β型钛合金。为获得一种高强度耐疲劳钛合金棒丝材，本发明在β相条件下实现不同程度的冷加工变形棒丝材，配以时效处理获得不同含量和分布α相的强化组织，最后加以喷砂和(或)喷丸的表面处理方法使棒丝材表面带有一层均匀的压应力强化层提高疲劳寿命，最终发明出一种简单有效的高强度耐疲劳钛合金棒丝材及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度耐疲劳钛合金棒丝材及其制备方法，以获得一种组织均匀稳定、耐蚀性好，疲劳寿命高的α+β型钛合金棒丝材，适用于各种以钛合金棒丝材作为原料加工的相关领域使用。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种高强度耐疲劳钛合金棒丝材，其特征在于：所述钛合金的成分范围为(质量百分比)：Al：2～5、Cr：3～9、V：6～12、Mo：2～16、Zr：2～8、Ti余量。优选为：Al：3～5、Cr：4～7、V：7～9、Mo：3～7、Zr：3～5、Ti为余量。
本发明还提供了所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
(1)、采用多次真空自耗熔炼方式制得铸锭；
(2)、铸锭经开坯锻造、热加工和固溶处理制成β相的棒坯，其中热加工温度介于800℃～1300℃，固溶处理温度介于750℃～950℃，处理时间0.5～4小时；
(3)、采用冷变形方法将棒坯制成钛合金棒丝材；
(4)、对钛合金棒丝材进行时效处理，处理温度介于450℃～650℃，处理时间7～12小时；
(5)、表面处理：棒丝材经喷砂和/或喷丸处理，最终获得高强度耐疲劳钛合金棒丝材。
作为优选的技术方案：
步骤(2)中，热加工温度介于900℃～1200℃，固溶处理温度介于790℃～930℃，处理时间0.5～2.0小时。
步骤(3)中，冷变形方法为冷轧和/或冷旋锻，单道次冷变形量不大于12％，总变形量不大于75％。
步骤(4)中，时效处理温度介于500℃～600℃，处理时间8～10小时。
步骤(5)中，喷砂空气压力介于0.1MPa～1.3MPa，喷丸强度介于0.1A～0.8A，表面覆盖率介于100％～600％。棒丝材经喷砂和/或喷丸的表面处理，使棒丝材表面带有一层均匀的压应力强化层，用以显著提高棒丝材的疲劳性能。
本发明采用控制冷加工变形量和变形方式的方法，配合时效处理工艺，制备得到所需尺寸和截面形状的高强的α+β型钛合金棒丝材。
采用本发明所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材的制备方法，其特征在于：所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材室温抗拉强度为1240MPa～1500MPa，疲劳强度提高10倍以上。
本发明具有以下技术特点：
1、在β相下进行冷加工成型控制，易于成型且成型性好。
2、通过时效处理控制α相的组成与分布，提高棒丝材的强度。
3、使用喷砂和/或喷丸的表面处理方法使棒丝材表面带有一层均匀的压应力强化层，显著提高棒丝材疲劳性能。
附图说明
图1喷丸钛合金棒材拉拉疲劳寿命。
图2喷砂钛合金棒材拉拉疲劳寿命。
图3喷砂和喷丸钛合金丝材拉拉疲劳寿命。
图4喷丸钛合金丝材拉拉疲劳寿命。
具体实施方式
在本实施例展现了一种钛合金棒丝材及其制备方法。下面对本发明的具体实施方案作详细说明。需要指出的是，实例是用于说明本发明而不是对本发明的限制。本发明的保护范围与核心内容依据权利要求书加以确定。
实施例1
所述钛合金的成分为(质量百分比)：Al：4.10、Cr：6.65、V：8.20、Mo：4.10、Zr：4.25、Ti余量，采用多次真空自耗熔炼方式制得铸锭。铸锭在1180℃进行开坯锻造。热轧制的每道次变形量约为8％，温度为1050℃。固溶处理温度830℃，处理时间40min。冷旋锻的每道次变形量约为5％，累计变形量28％，最终制得16×18mm矩形截面棒材。时效处理温度500℃，处理时间10h。喷丸强度(0.1～0.35)A，表面覆盖率600％。使用本方法制备所得钛合金棒丝材的室温抗拉强度1320MPa，延伸率17％，断面收缩率35％，拉拉疲劳寿命可达107(见图1)。
实施例2
所述钛合金的成分为(质量百分比)：Al：3.05、Cr：4.10、V：7.90、Mo：6.85、Zr：3.90、Ti余量，采用多次真空自耗熔炼方式制得铸锭。铸锭在1050℃进行开坯锻造。热轧制的每道次变形量约为6％，温度为900℃。固溶处理温度790℃，处理时间120min。冷轧的每道次变形量约为8％，累计变形量38％，最终制得φ18mm棒材。时效处理温度590℃，处理时间8h。喷砂空气压力介于0.6MPa～1.2MPa。使用本方法制备所得钛合金棒丝材的室温抗拉强度1410MPa，延伸率15％，断面收缩率31％，拉拉疲劳寿命可达107(见图2)。
实施例3
所述钛合金的成分为(质量百分比)：Al：4.70、Cr：5.35、V：7.20、Mo：5.50、Zr：3.15、Ti余量，采用多次真空自耗熔炼方式制得铸锭。铸锭在1120℃进行开坯锻造。热精锻的每道次变形量约为12％，温度为1050℃。固溶处理温度850℃，处理时间45min。冷轧的每道次变形量约为8％，累计变形量32％。冷旋锻的每道次变形量约为7％，累计变形量40％，累计总变形量72％，最终制得6×7.5mm矩形截面丝材。时效处理温度540℃，处理时间9h。喷砂空气压力介于0.4MPa～0.9MPa，喷丸强度(0.2～0.5)A，表面覆盖率400％。使用本方法制备所得钛合金棒丝材的室温抗拉强度1470MPa，延伸率11％，断面收缩率25％，拉拉疲劳寿命可达106(见图3)。
实施例4
所述钛合金的成分为(质量百分比)：Al：3.55、Cr：4.70、V：8.80、Mo：3.30、Zr：4.70、Ti余量，采用多次真空自耗熔炼方式制得铸锭。铸锭在1080℃进行开坯锻造。热精锻的每道次变形量约为7％，温度为950℃。固溶处理温度925℃，处理时间30min。冷轧的每道次变形量约为11％，累计变形量65％，最终制得上边7×下边9×厚8mm的梯形截面丝材。时效处理温度550℃，处理时间8h。喷丸强度(0.2～0.8)A，表面覆盖率100％。使用本方法制备所得钛合金棒丝材的室温抗拉强度1462MPa，延伸率12％，断面收缩率26％，拉拉疲劳寿命可达106(见图4)。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度耐疲劳钛合金棒丝材，其特征在于：所述钛合金的成分范围为质量百分比：Al：2～5、Cr：3～9、V：6～12、Mo：2～16、Zr：2～8、Ti余量。
2.按照权利要求1所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材，其特征在于：所述钛合金的成分范围为质量百分比：Al：3～5、Cr：4～7、V：7～9、Mo：3～7、Zr：3～5、Ti为余量。
3.一种权利要求1或2所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
(1)、采用多次真空自耗熔炼方式制得铸锭；
(2)、铸锭经开坯锻造、热加工和固溶处理制成棒坯，其中热加工温度介于800℃～1300℃，固溶处理温度介于750℃～950℃，处理时间0.5～4小时；
(3)、采用冷变形方法将棒坯制成钛合金棒丝材；
(4)、对钛合金棒丝材进行时效处理，处理温度介于450℃～650℃，处理时间7～12小时；
(5)、表面处理：棒丝材经喷砂和/或喷丸处理，最终获得高强度耐疲劳钛合金棒丝材。
4.按照权利要求3所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，热加工温度介于900℃～1200℃，固溶处理温度介于790℃～930℃，处理时间0.5～2.0小时。
5.按照权利要求3所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，冷变形方法为冷轧和/或冷旋锻，单道次冷变形量不大于12％，总变形量不大于75％。
6.按照权利要求3所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，时效处理温度介于500℃～600℃，处理时间8～10小时。
7.按照权利要求3所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，喷砂空气压力介于0.1MPa～1.3MPa，喷丸强度介于0.1A～0.8A，表面覆盖率介于100％～600％。
8.按照权利要求3所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材的制备方法，其特征在于：所述高强度耐疲劳钛合金棒丝材室温抗拉强度为1240MPa～1500MPa。
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