CN109022914A - 一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Li:2.0‑3.0wt.%,Y:1.0‑1.2wt.%,Cu:5.0‑6.0wt.%,In:3.0‑3.5wt.%,Os:0.5‑0.8wt.%,Si:1.0‑1.2wt.%,Ta:0.4‑0.6wt.%,Eu:0.1‑0.2wt.%，余量为钛。该材料为化工行业提供了一种具有优异力学性能和物理性能的钛合金。该合金的实施和产业化会大大推动我国在化工领域对高端钛合金材料的商业升级需求。

Description

一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种钛合金。

背景技术

钛是地壳中蕴藏量丰富的金属(居第4位)，其特点是密度低（4.51g/cm³），强度高和耐蚀能力强。钛在金属分类中被划为难熔轻金属，其熔点为1670℃。与另外两种轻金属（铝和镁）相比，钛具有一系列独特的化学、物理与机械性能方面的特点。此外钛无毒，故钛制骨件、钛制心脏启搏器不仅不受雷雨天气影响，又与人体组织及血液有良好的相容性，且因质量轻可减轻人体负荷。

钛合金的产品需求主要来自喷气发动机、飞机骨架和工业应用三部分。在拥有发达的航空航天和军工国防工业的北美和欧盟地区，大约50%以上的钛制品需求来自于航空航天和军工国防领域。而在日本，来自化工等行业的工业用钛占据了需求的主导地位。航空航天只占到日本钛需求的2%-3%。我国钛制品需求大部分来自化工和能源领域，航空航天只占到10%。

每一个市场对钛合金产品的性能要求是有所不同的。例如，喷气发动机的要求主要集中于高温抗拉强度、蠕变强度、疲劳强度以及高温热稳定性;飞机骨架所考虑的基本性能是断裂韧性、很高的拉伸强度和良好的疲劳强度;工业应用要求材料在各种环境中具有优良的抗腐蚀能力、足够的强度、可加工性和成本竞争力。

化工、冶金、造纸、制碱、石油和农药工业，是使用钛材料的最早行业。钛在各种浓度的硝酸、铬酸中都很稳定。此外，纯钛在碱溶液和大多数有机酸化合物中的抗蚀性也很高。钛的突出特点是不发生局部腐蚀，一般为均匀腐蚀。由于钛材料的应用，化工工业不仅可以获得可观的经济效益，而且能为长时间维持工厂的正常运转提供强有力的保障。

材料是人类社会赖以生存的物质基础，纵观人类发展的历史，每种重要新材料的发现和应用都把人类改造自然的能力提升到一个新的水平。在科技日新月异的当代社会，每一项重大科技的突破也很大程度上都是依赖于相应的新材料的发展。新材料是现代科技发展之本，现阶段高新技术的发展往往以新材料技术为突破。考虑到钛合金的应用领域和使用量，可以说新型钛合金材料的开发和应用，在某种程度上代表着一个国家的科技水平。

虽说中国已成为全球最大的钛金属生产国和消费国之一，不过大部分生产一直局限于等级较低的钛，用于自行车架、高尔夫球杆或化工行业使用的防腐管材。随着当今世界的发展以及人民生活水平的提高，对高性能钛合金材料以及使用于极端环境先进钛合金材料的需求也越来越多。可以预见的是钛基合金会在工业领域和国防领域展现出更为广阔的应用前景。面对日益增长的钛合金加工需求，必须进一步加强钛合金材料的加工工艺路线的优化、机床刀具的选择、工艺参数的优选，并提高效率和产品质量，积累钛合金加工经验，以满足未来航空、航天工业发展的需要。我国拥有丰富的钛资源，钛贮量居于世界首位，发展钛合金具有广阔的前景。目前，面临国际钛金属材料高速发展的有利局面，开发、利用好我国的钛合金资源具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺。按重量百分比计,合金的组成为Li:2.0-3.0wt.%,Y:1.0-1.2wt.%,Cu:5.0-6.0wt.%,In:3.0-3.5wt.%,Os:0.5-0.8wt.%,Si:1.0-1.2wt.%,Ta:0.4-0.6wt.%,Eu:0.1-0.2wt.%，余量为钛。

上述一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：340-360度固溶处理1.5小时,随后空冷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1） 由于钛合金具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和工艺性能，近年来钛已成为化工装备中主要的防腐蚀材料之一。与钢铁、铜铝等材料相比，使用钛合金材料一次性投资虽高，但钢铁等材料只能使用一年或半年，钛却可使用20年以上。通过增加化工设备的耐腐蚀性、抗氧化性等特点，使的化工设备在使用中可有效减少停工维修时间的损失，降低使用后期维修与管理成本。因此，钛合金的性能价格比远远高于钢铁和铜铝。但是目前而言，钛合金的传热系数低。由于在化工领域，使用者不太注重钛合金的密度，这反而使得化工领域的钛合金可以通过先进的合金化技术来大幅度提升该材料的传热系数，同时保持优异的耐腐蚀能力。因而，本专利为化工领域提供了一种具有高传热性能耐腐蚀的钛合金及其加工工艺。

（2） 由于钛合金最终要进行各种形式的精密铸造和锻造成型，合金的铸造性能对产品质量具有非常重要的影响。传统的Ti-6A1-4V合金在浇注后的铸件中存在大量非常细小气孔，这类缺陷会使铸件的力学性能显著降低，并需要大量的热加工变形来进一步消除铸造的气孔和疏松。影响了生产的正常秩序，增加了生产成本。本专利申请保护的新型钛合金，由于进行了材料学上的熔体性能优化，因而在铸造过程中表现出优异的铸造性能。在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。所得合金铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。铸锭基本为等轴晶，偏析不严重。

（3） 目前已经产业化的钛合金的种类很多，其中最广泛应用的是Ti-6A1-4V合金，其综合性能较好，也比较成熟。由于它耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。本专利申请保护的合金具有优异的力学和化学性能。强度高、塑性好，该合金能通过热处理，时效到很高的强度水平。该合金地屈服强度为1160-1250MPa，抗拉强度为1250-1380MPa，延伸率为12-16%。因而该材料具备强度、塑性、韧性匹配性好的特点，已经达到了Ti-6A1-4V合金类似的水平。

（4） 金属钛的传热机理主要是电子导热，其次是晶格导热。传统钛合金的传热系数一般维持在40-45 W/m﹒K左右，和不锈钢的传热性能大体相同。尽管传统钛合金的传热性能不够理想，但是鉴于其优异的耐腐蚀性能仍然能在化工领域得到大量的应用，并且在酸和碱性的高腐蚀环境下能够安全使用20年，而一般的碳钢和不锈钢在工作2年左右后就会发生明显的腐蚀现象。本专利申请保护的钛合金，由于进行了材料学上的优化，具有优异的传热性能，该合金的传热系数为80-85W/m﹒K。该合金在制备成化工行业的热交换器的热交换元件后，具有比强度高，抗蚀性好，不容易结垢等特点。设计上可以减小元件壁厚，采用较高水流的方式。在大大提高传热和换热性能的同时，明显的提高了生产效率。可以预计，该合金的顺利产业化会在解决行业难题的同时，也必将会取得巨大的社会效益和经济效益。

具体实施方式

实施例1

一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Li:2.0wt.%,Y:1.0wt.%,Cu:5.0wt.%,In:3.0wt.%,Os:0.5wt.%,Si:1.0wt.%,Ta:0.4wt.%,Eu:0.1wt.%，余量为钛。上述一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：340-360度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该合金由于进行了材料学上的熔体性能优化，因而在铸造过程中表现出优异的铸造性能。在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。该合金地屈服强度为1180MPa，抗拉强度为1290MPa，延伸率为12%。因而该材料具备强度、塑性、韧性匹配性好的特点，已经达到了Ti-6A1-4V合金类似的水平。该合金由于进行了材料学上的优化，具有优异的传热性能，该合金的传热系数为82W/m﹒K。该合金在制备成化工行业的热交换器的热交换元件后，具有比强度高，抗蚀性好，不容易结垢等特点。

实施例2

一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Li:3.0wt.%,Y:1.2wt.%,Cu:6.0wt.%,In:3.5wt.%,Os:0.8wt.%,Si:1.2wt.%,Ta:0.6wt.%,Eu:0.2wt.%，余量为钛。上述一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：340-360度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该合金由于进行了材料学上的熔体性能优化，因而在铸造过程中表现出优异的铸造性能。在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。该合金地屈服强度为1210MPa，抗拉强度为1320MPa，延伸率为14%。因而该材料具备强度、塑性、韧性匹配性好的特点，已经达到了Ti-6A1-4V合金类似的水平。该合金由于进行了材料学上的优化，具有优异的传热性能，该合金的传热系数为81W/m﹒K。该合金在制备成化工行业的热交换器的热交换元件后，具有比强度高，抗蚀性好，不容易结垢等特点。

实施例3

一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Li:2.5wt.%,Y:1.1wt.%,Cu:5.2wt.%,In:3.4wt.%,Os:0.6wt.%,Si:1.0wt.%,Ta:0.5wt.%,Eu:0.1wt.%，余量为钛。上述一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：340-360度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该合金由于进行了材料学上的熔体性能优化，因而在铸造过程中表现出优异的铸造性能。在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。该合金地屈服强度为1190MPa，抗拉强度为1260MPa，延伸率为12%。因而该材料具备强度、塑性、韧性匹配性好的特点，已经达到了Ti-6A1-4V合金类似的水平。该合金由于进行了材料学上的优化，具有优异的传热性能，该合金的传热系数为82W/m﹒K。该合金在制备成化工行业的热交换器的热交换元件后，具有比强度高，抗蚀性好，不容易结垢等特点。

Claims (3)

1.一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺；按照重量百分比,该合金的成分为:Li:2.0-3.0wt.%,Y:1.0-1.2wt.%,Cu:5.0-6.0wt.%,In:3.0-3.5wt.%,Os:0.5-0.8wt.%,Si:1.0-

1.2wt.%,Ta:0.4-0.6wt.%,Eu:0.1-0.2wt.%，余量为钛。

2.根据权利要求1所述一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺，其特征在于包括如下冶炼步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入；合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极；将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次；在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。

3.根据权利要求1所述一种耐腐蚀高传热性能化工领域用钛合金及其工艺，其特征在于包含如下加工步骤：将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：340-360度固溶处理1.5小时,随后空冷。