CN109023167A - 一种钛合金板材及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金板材及其加工方法，属于合金技术领域。所述的钛合金板材，包括以下原料：Ti、Al、V、Fe、氟化银、氧化锆纤维和硅酮；所述氟化银，硅酮，氧化锆纤维的比例为(0.04‑0.06)：(0.02‑0.04)：(0.01‑0.03)；所述的钛合金板材加工方法是经过熔融、热轧、冷轧等步骤制得。本发明通过采用氟化银，硅酮，氧化锆纤维为补强体系，提高钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性。

Description

一种钛合金板材及其加工方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种钛合金板材及其加工方法。
背景技术
钛合金由于比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天、舰船、兵器、化工、汽车、医疗等领域得到广泛应用，钛合金用量的大小也是航空装备先进程度的重要标志之一。
用于制作薄板材的钛合金主要有工业纯钛和TC1、TC2等钛合金，工业纯钛一般强度级别不大于600MPa，TC2退火态强度级别为685MPa，没有达到700MPa以上。随着航空等武器装备压力等级的提高，现有制成的薄板材，由于强度等级的限制，无法满足新一代武器装备耐高压的要求，Ti-6Al-4V钛合金虽然强度等级高可以达到板材对材料的强度要求，但由于材料塑性低，除了制备薄板材过程中成形困难，容易产生缺陷外，在使用时，弯曲、或钣金成形等工艺塑性差，因而，不适合采用冷成形方法制备薄板材及复杂零件。
申请号为CN201711188664.5的中国专利公开了一种高精度钛合金板材及其制备方法，特别涉及用于航空、航天、船舶领域压力容器等用的高精度的钛合金板材，所述钛合金成分的重量百分比组成为：Al：3～5％；V：2～4％；Fe：0.2～1.0％；余量为Ti；或再加Zr：1.0～2.0％；其中，杂质元素总量≤0.3％,且间隙杂质元素C≤0.05％，N≤0.02％；H≤0.015％；O≤0.12％。该发明合金经[Al]当量、[V]当量设计，通过合理的热加工、冷加工及热处理，可以用于经轧制、冲压等冷成形工艺制造多种形状复杂的精密零部件，也可热轧成形制成中厚板材制造用于压力容器、还可制作钛合金压力管材、承力结构管材、焊接管材等，但钛合金板材的性能还有进一步提升的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛合金板材及加工方法，以在专利申请文献“一种高精度钛合金板材及其制备方法(公开号：CN107779670A)”公开的基础上，优化组分、用量、方法等，进一步提高钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性能。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种钛合金板材，包括以下原料：Ti、Al、V、Fe、氟化银、氧化锆纤维和硅酮；
所述氟化银，硅酮，氧化锆纤维的比例为(0.04-0.06)：(0.02-0.04)：(0.01-0.03)。
进一步地，所述氟化银，硅酮，氧化锆纤维的比例为0.05：0.03：0.02。
进一步地，所述钛合金板材以重量份为单位，包括以下原料：Ti：100份、Al：3-5份；V：2-4份；Fe：0.2-1.0份，氟化银0.04-0.06份，硅酮0.02-0.04份，氧化锆纤维0.01-0.03份。
进一步地，所述钛合金板材以重量份为单位，包括以下原料：Ti：100份、Al：4份；V：3份；Fe：0.5份，氟化银0.05份，硅酮0.03份，氧化锆纤维0.02份。
一种根据上述的钛合金板材的加工方法，包括以下步骤：(1)按照所述钛合金成分配制合金原料；(2)混料后压制成电极，在真空自耗电弧炉中在900℃下进行20-40分钟的熔铸，降温至400-500℃后加入氟化银、氧化锆纤维和硅酮，保温30分钟，梯度升温至800℃继续熔铸30分钟获得合金铸锭；(3)铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、反复墩拔以细化组织，制成板坯；(4)对板坯进行热轧，可制成40-80mm的中厚板材；(5)在室温下多道次冷轧成薄板材。
进一步地，所述步骤(3)中开坯锻造加热温度为1050℃-1150℃。
进一步地，所述步骤(4)中热轧加热温度为800℃-900℃。
进一步地，所述步骤(6)真空退火温度为600℃-800℃。
本发明具有以下有益效果：
(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3制得的钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性能显著高于对比例5制得的钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性；同时由实施例1-3的数据可见，实施例1为最优实施例。
(2)由实施例1和对比例1-4的数据可见，氟化银，硅酮，氧化锆纤维在加工钛合金板材中起到了协同作用，协同提高了钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性；这是：
本发明以钛为基质合金，当添加一定量的Al、V、Fe能一定程度改善力学性能，但是由对比例1可知，只添加上述的组分不能实现令人满意的力学性能和耐腐蚀性效果，因此申请人通过反复试验，发现添加了氟化银，硅酮，氧化锆纤维在加工钛合金板材中起到了协同作用。
推测其可能机理为氟化银熔点低，能够在使用过程的再熔融过程中实现均匀分散，氟元素部分与钛元素结合，增强耐腐蚀效果，银原子能够稳定晶体堆积结构，大大提高合金的力学性能和整体性，不容易破碎，提高力学性能；硅酮母料为有机硅氧化物的聚合物，在玻璃熔融过程中部分分解，得到中间态的碳、氧离子，能够促进高熔点的氧化锆纤维融合到金属组分中，同时分解得到的硅氧化物，微量分散在合金表层中，从而增强了力学性能，氟化银中氟元素部分替换硅和氧，增加晶格的空穴量提高非金属组分活性，增强耐腐蚀性能；氧化锆纤维形成大量的异质核心，起到了变质细化主要合金相的作用，增加延展性，硅酮中分解得到C原子部分替换氧化锆纤维表面中的氧原子，促进氧化锆纤维与金属相融合程度，起到了变质细化的作用，同时氧化锆纤维的添加可以弥补引入无机非金属元素带来的拉伸强度降低，从而综合增强了力学性能和耐腐蚀性。
(3)由对比例6-8的数据可见，氟化银，硅酮，氧化锆纤维的重量比不在(0.04-0.06)：(0.02-0.04)：(0.01-0.03)范围内时，制得的钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性数值与实施例1-3的数值相差甚大，远小于实施例1-3的数值，与现有技术(对比例5)的数值相当。本发明氟化银，硅酮，氧化锆纤维作为补强体系，实施例1-3控制加工钛合金板材时通过添加氟化银，硅酮，氧化锆纤维的重量比为(0.04-0.06)：(0.02-0.04)：(0.01-0.03)，实现在补强体系中利用氟化银中氟元素部分替换硅和氧，增加晶格的空穴量提高非金属组分活性，增强耐腐蚀性能；硅酮能够促进高熔点的氧化锆纤维融合到金属组分中，同时分解得到的硅氧化物，微量分散在合金表层中，从而增强了力学性能；氧化锆纤维形成大量的异质核心，起到了变质细化主要合金相的作用，同时氧化锆纤维的添加可以弥补引入无机非金属元素带来的拉伸强度降低，使得氟化银，硅酮，氧化锆纤维构成的补强体系在本发明的钛合金板材中，提高钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
在实施例中，一种钛合金板材，包括以下原料：Ti：100份、Al：3-5份；V：2-4份；Fe：0.2-1.0份，氟化银0.04-0.06份，硅酮0.02-0.04份，氧化锆纤维0.01-0.03份；
一种根据上述的钛合金板材的加工方法，包括以下步骤：(1)按照所述钛合金成分配制合金原料；(2)混料后压制成电极，在真空自耗电弧炉中在900℃下进行20-40分钟的熔铸，降温至400-500℃后加入氟化银、氧化锆纤维和硅酮，保温30分钟，梯度升温至800℃继续熔铸30分钟获得合金铸锭；(3)铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、反复墩拔以细化组织，制成板坯；(4)对板坯进行热轧，可制成40-80mm的中厚板材；(5)在室温下多道次冷轧成薄板材。所述步骤(3)中开坯锻造加热温度为1050℃-1150℃。所述步骤(4)中热轧加热温度为800℃-900℃。所述步骤(6)真空退火温度为600℃-800℃。
实施例1
一种钛合金板材，包括以下原料：Ti：100份、Al：4份；V：3份；Fe：0.5份，氟化银0.05份，硅酮0.03份，氧化锆纤维0.02份；
一种根据上述的钛合金板材的加工方法，包括以下步骤：(1)按照所述钛合金成分配制合金原料；(2)混料后压制成电极，在真空自耗电弧炉中在900℃下进行30分钟的熔铸，降温至450℃后加入氟化银、氧化锆纤维和硅酮，保温30分钟，梯度升温至800℃继续熔铸30分钟获得合金铸锭；(3)铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、反复墩拔以细化组织，制成板坯；(4)对板坯进行热轧，可制成60mm的中厚板材；(5)在室温下多道次冷轧成薄板材。所述步骤(3)中开坯锻造加热温度为1100℃。所述步骤(4)中热轧加热温度为850℃。所述步骤(6)真空退火温度为700℃。
实施例2
一种钛合金板材，包括以下原料：Ti：100份、Al：5份；V：2份；Fe：1.0份，氟化银0.04份，硅酮0.04份，氧化锆纤维0.01份；
一种根据上述的钛合金板材的加工方法，包括以下步骤：(1)按照所述钛合金成分配制合金原料；(2)混料后压制成电极，在真空自耗电弧炉中在900℃下进行20分钟的熔铸，降温至500℃后加入氟化银、氧化锆纤维和硅酮，保温30分钟，梯度升温至800℃继续熔铸30分钟获得合金铸锭；(3)铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、反复墩拔以细化组织，制成板坯；(4)对板坯进行热轧，可制成80mm的中厚板材；(5)在室温下多道次冷轧成薄板材。所述步骤(3)中开坯锻造加热温度为1050℃。所述步骤(4)中热轧加热温度为900℃。所述步骤(6)真空退火温度为600℃。
实施例3
一种钛合金板材，包括以下原料：Ti：100份、Al：3份；V：4份；Fe：0.2份，氟化银0.06份，硅酮0.02份，氧化锆纤维0.03份；
一种根据上述的钛合金板材的加工方法，包括以下步骤：(1)按照所述钛合金成分配制合金原料；(2)混料后压制成电极，在真空自耗电弧炉中在900℃下进行40分钟的熔铸，降温至400℃后加入氟化银、氧化锆纤维和硅酮，保温30分钟，梯度升温至800℃继续熔铸30分钟获得合金铸锭；(3)铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、反复墩拔以细化组织，制成板坯；(4)对板坯进行热轧，可制成80mm的中厚板材；(5)在室温下多道次冷轧成薄板材。所述步骤(3)中开坯锻造加热温度为1150℃。所述步骤(4)中热轧加热温度为800℃。所述步骤(6)真空退火温度为800℃。
对比例1
与实施例1的加工工艺基本相同，唯有不同的是钛合金板材的原料中缺少氟化银，硅酮，氧化锆纤维。
对比例2
与实施例1的加工工艺基本相同，唯有不同的是加工钛合金板材的原料中缺少氟化银。
对比例3
与实施例1的加工工艺基本相同，唯有不同的是加工钛合金板材的原料中缺少硅酮。
对比例4
与实施例1的加工工艺基本相同，唯有不同的是加工钛合金板材的原料中缺少氧化锆纤维。
对比例5
采用中国专利申请文献“一种高精度钛合金板材及其制备方法(公开号：CN107779670A)”中具体实施例1所述的方法加工钛合金板材。
对比例6
与实施例1的加工工艺基本相同，唯有不同的是加工钛合金板材的原料中氟化银为0.08份、硅酮为0.01份、氧化锆纤维为0.04份。
对比例7
与实施例1的加工工艺基本相同，唯有不同的是加工钛合金板材的原料中氟化银为0.02份、硅酮为0.06份、氧化锆纤维为0.005份。
对比例8
与实施例1的加工工艺基本相同，唯有不同的是加工钛合金板材的原料中氟化银为0.02份、硅酮为0.005份、氧化锆纤维为0.06份。
对实施例1-3和对比例1-8制得的产品，按照GB/T 228-2010《金属材料拉伸试验》的标准，测试本发明提供的方法加工得到的钛合金板材的塑性延伸强度(Rp0.2)、抗拉强度(Rm)。根据GB T 10125-1997标准，对合金件在酸性盐雾下测试6h后，测试断裂强度，与未腐蚀的比较，计算断裂强度下降程度，计为百分比，结果如下表所示。
由上表可知：(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3制得的钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性能显著高于对比例5制得的钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性；同时由实施例1-3的数据可见，实施例1为最优实施例。
(2)由实施例1和对比例1-4的数据可见，氟化银，硅酮，氧化锆纤维在加工钛合金板材中起到了协同作用，协同提高了钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性；这是：
本发明以钛为基质合金，当添加一定量的Al、V、Fe能一定程度改善力学性能，但是由对比例1可知，只添加上述的组分不能实现令人满意的力学性能和耐腐蚀性效果，因此申请人通过反复试验，发现添加了氟化银，硅酮，氧化锆纤维在加工钛合金板材中起到了协同作用。
推测其可能机理为氟化银熔点低，能够在使用过程的再熔融过程中实现均匀分散，氟元素部分与钛元素结合，增强耐腐蚀效果，银原子能够稳定晶体堆积结构，大大提高合金的力学性能和整体性，不容易破碎，提高力学性能；硅酮母料为有机硅氧化物的聚合物，在玻璃熔融过程中部分分解，得到中间态的碳、氧离子，能够促进高熔点的氧化锆纤维融合到金属组分中，同时分解得到的硅氧化物，微量分散在合金表层中，从而增强了力学性能，氟化银中氟元素部分替换硅和氧，增加晶格的空穴量提高非金属组分活性，增强耐腐蚀性能；氧化锆纤维形成大量的异质核心，起到了变质细化主要合金相的作用，增加延展性，硅酮中分解得到C原子部分替换氧化锆纤维表面中的氧原子，促进氧化锆纤维与金属相融合程度，起到了变质细化的作用，同时氧化锆纤维的添加可以弥补引入无机非金属元素带来的拉伸强度降低，从而综合增强了力学性能和耐腐蚀性。
(3)由对比例6-8的数据可见，氟化银，硅酮，氧化锆纤维的重量比不在(0.04-0.06)：(0.02-0.04)：(0.01-0.03)范围内时，制得的钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性数值与实施例1-3的数值相差甚大，远小于实施例1-3的数值，与现有技术(对比例5)的数值相当。本发明氟化银，硅酮，氧化锆纤维作为补强体系，实施例1-3控制加工钛合金板材时通过添加氟化银，硅酮，氧化锆纤维的重量比为(0.04-0.06)：(0.02-0.04)：(0.01-0.03)，实现在补强体系中利用氟化银中氟元素部分替换硅和氧，增加晶格的空穴量提高非金属组分活性，增强耐腐蚀性能；硅酮能够促进高熔点的氧化锆纤维融合到金属组分中，同时分解得到的硅氧化物，微量分散在合金表层中，从而增强了力学性能；氧化锆纤维形成大量的异质核心，起到了变质细化主要合金相的作用，同时氧化锆纤维的添加可以弥补引入无机非金属元素带来的拉伸强度降低，使得氟化银，硅酮，氧化锆纤维构成的补强体系在本发明的钛合金板材中，提高钛合金板材的力学性能和耐腐蚀性。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种钛合金板材，其特征在于，包括以下原料：Ti、Al、V、Fe、氟化银、氧化锆纤维和硅酮；
所述氟化银，硅酮，氧化锆纤维的比例为(0.04-0.06)：(0.02-0.04)：(0.01-0.03)。
2.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，所述氟化银，硅酮，氧化锆纤维的比例为0.05：0.03：0.02。
3.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，所述钛合金板材以重量份为单位，包括以下原料：Ti：100份、Al：3-5份；V：2-4份；Fe：0.2-1.0份，氟化银0.04-0.06份，硅酮0.02-0.04份，氧化锆纤维0.01-0.03份。
4.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，所述钛合金板材以重量份为单位，包括以下原料：Ti：100份、Al：4份；V：3份；Fe：0.5份，氟化银0.05份，硅酮0.03份，氧化锆纤维0.02份。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的钛合金板材的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照所述钛合金成分配制合金原料；(2)混料后压制成电极，在真空自耗电弧炉中在900℃下进行20-40分钟的熔铸，降温至400-500℃后加入氟化银、氧化锆纤维和硅酮，保温30分钟，梯度升温至800℃继续熔铸30分钟获得合金铸锭；(3)铸锭扒皮、切去冒口和尾端后，经过开坯锻造、反复墩拔以细化组织，制成板坯；(4)对板坯进行热轧，可制成40-80mm的中厚板材；(5)在室温下多道次冷轧成薄板材。
6.根据权利要求5所述的钛合金板材的加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中开坯锻造加热温度为1050℃-1150℃。
7.根据权利要求5所述的钛合金板材的加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中热轧加热温度为800℃-900℃。
8.根据权利要求5所述的钛合金板材的加工方法，其特征在于，所述步骤(6)真空退火温度为600℃-800℃。
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