CN109055817A

CN109055817A - 一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109055817A
Application number: CN201810961470.2A
Authority: CN
Inventors: 张朝晖; 胡正阳; 程兴旺; 王富耻; 宋奇; 尹世攀; 王浩; 王虎
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2018-12-21

Abstract

本发明涉及一种Ti‑Al‑V‑Fe‑Zr‑Si合金及其制备方法，属于合金材料的制备方法技术领域。所述合金中组成元素及其质量分数为：Al 0.5％～2.1％；V 7.1％～10.0％；Fe 4.1％～6.0％；Zr 0.3％～1％；Si 0.01％～0.25％；O<0.2％；N<0.05％；H<0.01；C<0.04％；Ti余量；通过电极块预成型与真空自耗电极电弧熔炼技术相结合制备得到所述合金。所述合金为近β型钛合金，其熔炼后未经系统化锻造，热处理，变形加工就可以具有很高的抗拉强度、屈服强度和适中的延伸率；所述制备方法简单易行，周期短，实用性强，有利于工业化。

Description

一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金及其制备方法，属于合金材料的制备方法技术领域。

背景技术

钛及钛合金是一种难熔的轻质金属，纯钛的熔点为1675℃，密度为4.50g/cm³，具有强度高、耐腐蚀、耐高温、耐低温以及线胀系数小等许多优点，被人们称为“现代金属”。此外，钛合金与其它有色金属如铝、铜和镍等比较，还有许多独有的特点。首先，钛作为过渡族元素(ⅣB)，有未填满的d电子层，能同原子直径差位于±20％以内的置换式元素形成高浓度的固溶体；其次，钛可以与添加的合金元素形成金属键、共价键和离子键固溶体和化合物，并以此来稳定α或β相，从而控制α和β相的组成比例与材料性能。而且，钛合金也能依据α→β的相转变温度，通过热处理的方式在一定范围内调控初生α、次生α’和β相的组成比例，进而改变合金的强度和塑性，满足工程上不同性能的需求

因此，钛及其合金用途极其广泛，不仅在航空、航天、舰船、石油、化工、海洋工程、建筑装饰等领域被用作结构材料、耐热材料、耐蚀材料，而且在形状记忆材料、超导材料以及吸气储氢材料等许多领域中也引起人们越来越多的关注。

如今，钛及钛合金相关材料的研发及应用水平俨然已成为一个国家新材料研发水平的重要体现。随着航空、航天、机械等领域的迅猛发展，这些行业对钛及其合金材料的要求也更为苛刻。近些年研究表明，β型钛合金在固溶处理状态具有中等强度和高的塑性，冷成型性好，时效后室温强度高、断裂韧性好、淬透性好，可满足航空大型锻件的使用。

目前广泛应用的超强β型钛合金主要有Ti-15Mo、Ti-20Mo、Ti-6Al-3Mo、Ti-15Mo-2.7Nb-3A1-0.2Si(β-21S)、TB6以及TB8等，合金中含有大量昂贵的高熔点β同晶元素Mo、Cr和Nb，其锻造态目前只可达到如下指标：抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥1050MPa，延伸率≥8％。尽管所述β型钛合金性能优异，但是贵重元素的使用也大幅提高了制备和使用成本，限制了超强β型钛合金的大规模应用。

如何改善添加的合金元素，既能降低制备和使用成本，又能进一步提高钛合金的综合力学性能，使其满足更高的航空等领域的应用需求是目前各国学者所关心的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金；本发明的目的之二在于提供一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，所述方法通过电极块预成型与真空自耗电极电弧熔炼技术相结合实现。

本发明的目的由以下技术方案实现。

一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金，以所述合金的总体质量为100％计，其组成元素及其质量分数如下：

一种本发明所述Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，所述方法步骤如下：

(1)将原料放入冷压装置，在大于等于1000t/m²的压力下挤压制得棒状自耗电极块。

优选原料为：0级海绵钛、Ti-32Fe中间合金、铝豆、V-18Fe中间合金和Zr屑；

将Ti-32Fe中间合金、铝豆、V-18Fe中间合金和Zr屑在称量完毕后装入铝箔中制备合金包，然后放入0级海绵钛中制得原料；

优选0级海绵钛使用前采用真空干燥预处理，用以除去0级海绵钛颗粒表面吸附的水分和有害气体。

优选真空干燥为：干燥温度为70℃～200℃，真空度<100Pa，干燥时间为0.5h～8h。

(2)将步骤(1)制得的棒状自耗电极块用真空自耗电极电弧熔炼炉进行三次熔炼，然后补缩，再随炉冷却至炉温低于300℃出炉；冷却至室温后去除表面氧化层，得到本发明所述的一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金。

其中，真空自耗电极电弧熔炼炉中的接收装置为外部具有循环冷却系统的铜坩埚；

所述三次熔炼和补缩的具体条件为：

第一次熔炼：炉中真空度小于20Pa，真空漏率小于等于5Pa,熔炼电流为2300A～5500A，熔炼电压为10V～30V，冷却时间为0.2h～1.5h；

第二次熔炼：真空度小于等于10Pa，真空漏率小于等于4Pa，熔炼电流为4000A～8500A，熔炼电压为18V～35V，冷却时间为0.5～2.5h；

第三次熔炼及补缩：真空度小于等于5Pa，真空漏率小于等于4Pa，熔炼电流为4500A～15000A，熔炼电压为20V～40V，当熔炼棒锭熔炼至剩余重量为自耗电极块初始重量的5％～50％时开始进入补缩，电流降低速率按照3→2→1→0.5→0.2的斜率逐级降低，直到电流减至第三次熔炼电流的1/3～1/20为止。冷却时间为0.5h～8h。

所述棒状自耗电极块为两块以上时，先将所述两块以上的棒状自耗电极块在小于等于10Pa下进行真空组焊，制成一块棒状自耗电极块，再用真空自耗电极电弧熔炼炉进行熔炼。

当一次熔炼过程中产生的一次熔炼棒锭为两块以上时，先将所述两块以上的一次熔炼棒锭在小于等于10Pa下进行真空组焊，制成一块一次熔炼棒锭，再进行第二次熔炼。

当二次熔炼过程中产生的二次熔炼棒锭为两块以上时，先将所述两块以上的二次熔炼棒锭在小于等于5Pa下进行真空组焊，制成一块二次熔炼棒锭，再进行第三次熔炼。

可采用真空等离子焊箱进行真空组焊。

有益效果

1.本发明提供了一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金，使用廉价易获取的Fe元素代替常规β型钛合金中昂贵的Mo、Cr和Nb等元素，降低了制备和使用成本；其中Fe的质量分数为4.1％～6.0％，为很高当量；Al质量分数为0.5％～2.1％，为少量添加，可适当降低所述合金密度，提高再结晶温度、强度，并改善所述合金抗氧化性能；V的质量分数为7.1％～10.0％，为中等偏高当量，可显著稳定β相，增加淬透性，提高热稳定性，使所述合金热处理强化程度明显增强；Zr的质量分数为0.3％～1％，为微量添加，为中性元素，可起补充固溶强化作用，且对所述合金塑形的不利影响比添加Al元素时要小，使得所述合金具有良好的加工成型性能和焊接性能；Si的质量分数为0.01％～0.25％，为中等偏少当量，起固溶强化作用，可提高所述合金的高温蠕变抗力；

2.本发明提供了一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金，所述合金为近β型钛合金，其熔炼后未经系统化锻造，热处理，变形加工就可以具有很高的抗拉强度(>1150MPa)屈服强度(>1100MPa)和适中的延伸率(>6％)。

3.本发明提供了一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，所述方法简单易行，周期短，实用性强，有利于工业化；在制备过程中，三次真空自耗电极电弧熔炼配合炉内的高效磁力搅拌装置，避免了Fe元素的偏析。

附图说明

图1为实施例2制得的合金包的宏观形貌照片。

图2为实施例2制得的棒状自耗电极块照片。

图3为实施例2中出炉冷却至室温的Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细的阐述。

以下实施例中所述0级海绵钛购自遵义钛业股份有限公司，颗粒形状为不规则多边形，纯度大于等于99.4wt％，硬度(HB)为150。

所述Ti-32Fe中间合金选用TF1710-20，购自北京宏大钛科贸有限公司，纯度大于等于99.8wt％，粒径小于等于5mm。

V-18Fe中间合金购自北京宏大钛科贸有限公司，纯度大于等于99.8wt％，粒径小于等于5mm。具体成分如表1所示：

表1V-18Fe中间合金的成分表(wt.％)。

Fe	Si	C	V	Al
					17.552	0.8	0.2	78.86	2

所述铝豆选用A11804-1，购自北京宏大钛科贸有限公司，粒径小于等于10mm。

所述Zr屑购自北京宏大钛科贸有限公司，厚度小于等于2mm，最大截面尺寸小于等于6mm。

所述冷压装置为YW32-3000吨三梁四柱液压机，山东威力重工机床有限公司。

真空自耗电极电弧熔炼炉为VCF-800型，沈阳真空技术研究所有限公司。

真空等离子焊箱为VPW，沈阳真空技术研究所有限公司。

所述室温静态拉伸在北京科技大学的原位拉伸装置(CS3400型)上进行，每个试样测试五次，取其平均值作为试样的实际性能。该方法可以得到试样如下性能参数：抗拉强度，屈服强度和延伸率。

所述实际密度根据国标GB/T 1423-1996《贵金属及其合金密度的测试方法》中规定的方法进行。

所述致密度D的计算公式为：D＝ρ_实际/ρ_理论×100％，其中，ρ_实际表示实际密度，ρ_理论表示理论密度。

所述合金的组成元素测试根据国标GB/T 31981-2015《钛及钛合金化学成分分析取制样方法》中规定的方法进行，具体测试由江苏威拉里新材料科技有限公司完成。

实施例1

(1)本实施例中原料为：0级海绵钛、Ti-32Fe中间合金、铝豆、V-18Fe中间合金和Zr屑，所述原料中元素组成及其质量分数为：Al 0.5％，V 10.0％，Fe 4.1％，Zr 1％，Si0.01％，O 0.1％，N 0.01％，H 0.005％，C 0.01％，Ti 84.265％。

其中，0级海绵钛使用前预处理：在真空烘干箱中在真空度为20Pa下，以200℃干燥0.5h。

将Ti-32Fe中间合金、铝豆、V-18Fe中间合金和Zr屑在称量完毕后装入铝箔中制备合金包，每个合金包质量为944g。

随后，将合金包放入5056g预处理后的0级海绵钛中，放入冷压装置，在1100t/m²的压力下挤压制得棒状自耗电极块。

(2)将四块步骤(1)制得的棒状自耗电极块用真空等离子焊箱在真空度为8Pa下真空组焊，制成一块棒状自耗电极块，使用真空自耗电极电弧熔炼炉进行三次熔炼，然后补缩，再随炉冷却至炉温为290℃出炉，冷却至室温后打磨车削去除表面氧化层，得到本发明所述的一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金。

其中，真空自耗电极电弧熔炼炉中的接收装置为外部具有循环冷却系统的铜坩埚。

所述三次熔炼和补缩的具体条件为：

第一次熔炼：炉中真空度为10Pa，真空漏率为4Pa，熔炼电流为5500A，熔炼电压为30V，冷却时间为1.5h，得到一次熔炼棒锭，直径为130mm；

将两块一次熔炼棒锭用真空等离子焊箱在真空度为7Pa下真空组焊，制成一块一次熔炼棒锭，再进行第二次熔炼；

第二次熔炼：真空度为6Pa，真空漏率为3Pa，熔炼电流为8500A，熔炼电压为35V，冷却时间为2.5h，得到二次熔炼棒，直径为170mm；

将两块二次熔炼棒锭用真空等离子焊箱在真空度为2Pa下真空组焊，制成一块二次熔炼棒锭，再进行第三次熔炼；

第三次熔炼及补缩：真空度为2Pa，真空漏率为0.9Pa，熔炼电流为15000A，熔炼电压40V，，当熔炼棒锭熔炼至剩余重量为自耗电极块初始重量的5％(4.8kg)时开始进入补缩，电流降低速率按照3→2→1→0.5→0.2的斜率逐级降低，直到电流减至第三次熔炼电流的5000A为止。冷却时间为8h，得到三次熔炼棒锭，直径为200mm；

将本实施例制得的Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金制成试样进行测试，得到测试结果如下：

(1)所述合金的致密度为99.7％；

(2)所述合金的力学性能：抗拉强度为1152MPa；屈服强度为1108MPa；延伸率为6.6％。

(3)合金的组成元素测试及结果

Al 0.7％，V 9.7％，Fe 4.2％，Zr 0.9％，Si 0.018％，O 0.11％，N 0.01％，H0.005％，C 0.02％，Ti 84.337％。

实施例2

(1)本实施例中原料为：0级海绵钛、Ti-32Fe中间合金、铝豆、V-18Fe中间合金和Zr屑，所述原料中元素组成及其质量分数为：Al 2.1％，V 7.1％，Fe 6.0％，Zr 0.3％，Si0.25％，O 0.1％，N 0.02％，H 0.005％，C 0.01％，Ti 84.115％。

其中，0级海绵钛使用前预处理：在真空烘干箱中在真空度为20Pa下，以70℃干燥8h。

将Ti-32Fe中间合金、铝豆、V-18Fe中间合金和Zr屑在称量完毕后装入铝箔中制备合金包，每个合金包质量为953g，合金包的宏观形貌如图1所示。

随后，将合金包放入5047g预处理后的0级海绵钛中，放入冷压装置，在1100t/m²的压力下挤压制得棒状自耗电极块，如图2所示，自耗电极块内孔隙少，致密度高，成型度好，且无掉渣脱落等不良现象。

(2)将四块步骤(1)制得的棒状自耗电极块用真空等离子焊箱在真空度为8Pa下真空组焊，制成一块棒状自耗电极块，使用真空自耗电极电弧熔炼炉进行三次熔炼，然后补缩，再随炉冷却至炉温为290℃出炉，冷却至室温后，宏观形貌如图3所示，由图可知三次熔炼后得到的棒锭冒口以下结晶组织均匀性好，且熔末完整预留，冒口体积所占比例约为2.8％，打磨车削去除表面氧化层，得到本发明所述的一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金。

所述三次熔炼和补缩的具体条件为：

第一次熔炼：炉中真空度为10Pa，真空漏率为4Pa，熔炼电流为3500A，熔炼电压为15V，冷却时间为0.6h，得到一次熔炼棒锭，直径为130mm；

第二次熔炼：真空度为6Pa，真空漏率为3Pa，熔炼电流为4500A，熔炼电压为20V，冷却时间为1h，得到二次熔炼棒锭，直径为170mm；

第三次熔炼及补缩：真空度为2Pa，真空漏率为0.9Pa，熔炼电流为5500A，熔炼电压为24V，真空自耗电极电弧熔炼炉内试样起弧图像表明熔炼棒锭下端周围产生了稳定的弧光放电现象，放电产生的电弧热能均匀的分布在其下端；当熔炼棒锭熔炼至剩余重量为自耗电极块初始重量的50％(48kg)时开始进入补缩，电流降低速率按照3→2→1→0.5→0.2的斜率逐级降低，直到电流减至第三次熔炼电流的275A为止。冷却时间为0.5h，得到三次熔炼棒锭，直径为200mm。

(1)所述合金的致密度为99.8％；

(2)所述合金的力学性能：抗拉强度为1198MPa；屈服强度为1130MPa；延伸率为6.1％。

(3)合金的组成元素测试及结果

Al 2.0％，V 7.3％，Fe 5.9％，Zr 0.35％，Si 0.23％，O 0.12％，N 0.02％，H0.005％，C 0.01％，Ti 84.065％。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金，其特征在于：以所述合金的总体质量为100％计，其组成元素及其质量分数如下：

2.一种如权利要求1所述的Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

(1)将原料放入冷压装置，在大于等于1000t/m²的压力下挤压制得棒状自耗电极块；

(2)将棒状自耗电极块用真空自耗电极电弧熔炼炉进行三次熔炼，然后补缩，再随炉冷却至炉温低于300℃出炉；冷却至室温后去除表面氧化层，得到所述一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金。

3.根据权利要求2所述的一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，其特征在于：真空自耗电极电弧熔炼炉中的接收装置为外部具有循环冷却系统的铜坩埚；

所述三次熔炼和补缩的具体条件为：

第三次熔炼及补缩：真空度小于等于5Pa，真空漏率小于等于4Pa，熔炼电流为4500A～15000A，熔炼电压为20V～40V，当熔炼棒锭熔炼至剩余重量为自耗电极块初始重量的5％～50％时开始进入补缩，电流降低速率按照3→2→1→0.5→0.2的斜率逐级降低，直到电流减至第三次熔炼电流的1/3～1/20为止，冷却时间为0.5h～8h；

所述棒状自耗电极块为两块以上时，先将所述两块以上的棒状自耗电极块在小于等于10Pa下进行真空组焊，制成一块棒状自耗电极块，再用真空自耗电极电弧熔炼炉进行熔炼；

当一次熔炼过程中产生的一次熔炼棒锭为两块以上时，先将所述两块以上的一次熔炼棒锭在小于等于10Pa下进行真空组焊，制成一块一次熔炼棒锭，再进行第二次熔炼；

4.根据权利要求2或3所述的一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，其特征在于：将Ti-32Fe中间合金、铝豆、V-18Fe中间合金和Zr屑装入铝箔中制得合金包，将合金包放入0级海绵钛中制得原料。

5.根据权利要求4所述的一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，其特征在于：0级海绵钛使用前采用真空干燥预处理。

6.根据权利要求5所述的一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，其特征在于：真空干燥温度为70℃～200℃，真空度<100Pa，干燥时间为0.5h～8h。

7.根据权利要求2或3所述的一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，其特征在于：采用真空等离子焊箱进行真空组焊。

8.根据权利要求2或3所述的一种Ti-Al-V-Fe-Zr-Si合金的制备方法，其特征在于：将Ti-32Fe中间合金、铝豆、V-18Fe中间合金和Zr屑装入铝箔中制得合金包，将合金包放入0级海绵钛中制得原料；

0级海绵钛使用前采用真空干燥预处理；真空干燥温度为70℃～200℃，真空度<100Pa，干燥时间为0.5h～8h；

采用真空等离子焊箱进行真空组焊。