CN109136644A

CN109136644A - 一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金

Info

Publication number: CN109136644A
Application number: CN201811164615.2A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2018-10-06
Filing date: 2018-10-06
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明公开了一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金。按照重量百分比,该合金的成分为:Li:1.5‑2.0wt.%,Mg:5.0‑6.0wt.%,Al:2.0‑3.0wt.%,Sn:2.0‑3.0wt.%,Si:1.2‑1.5wt.%,Zr:0.3‑0.5wt.%,Ni:1.2‑1.5wt.%,Cu:0.5‑0.8wt.%，余量为钛。该材料为轻量化需要的行业提供了一种比常见钛合金密度更低的解决方案，也就是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航空航天领域对高端钛合金材料的商业升级需求。

Description

一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金

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

钛是一种新型金属，其性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关。纯钛有两种同质异晶体：在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。钛合金作为轻金属中的一种重要合金种类，被誉为21世纪的绿色工程材料。目前国内外已经产业化的钛合金不仅具有强度高、耐冲击、散热好、尺寸稳定和弹性模量大，承受冲击载荷能力比铝合金强的特点，铸造钛合金还具有比强度和比刚度高、震动阻尼容量大，在汽油、煤油和润滑油中性能稳定等特点。这些特性使钛合金应用领域十分广泛，尤其在航空航天、轨道交通、电子产品、生物医用、自行车、建筑装饰等领域，已经成为未来新型材料的发展方向之一。

世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了大量实际应用。轻量化是航空航天、军事工业永远追求的目标，减轻重量意味着机动灵活性更强，增强作战人员的战场生存能力。飞行器结构件的服役环境更加恶劣，不仅要求构件材料质量轻，还要求其具有较高的综合力学性能，包括高强度、耐热等。钛合金具有满足这些要求的一系列优异的性能。首先，钛合金低温性能好。钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，间隙元素极低的钛合金在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。其次，钛合金符合与复合材料结构相匹配的要求。为减轻结构重量和满足隐身要求，先进飞机大量使用复合材料，钛合金与复合材料的强度、刚度匹配较好，能获得很好的减重效果。同时，由于二者电位比较接近，不易产生电偶腐蚀，因此相应部位的结构件和紧固件宜采用钛合金。

航空发动机是钛合金应用最早同时也是最有应用前景的领域之一，早在19世纪70年代，钛合金在俄罗斯航空发动机的用量就达到了金属零部件产品的50%。近些年来，钛合金在大型民用发动机中的用量呈现上升的趋势。这种增加的趋势，主要是由于燃气涡轮发动机在大型客机上的应用比较广泛，钛合金生产与应用经验的积累，以及钛合金性能和可靠性的提高等因索。钛合金仅从减重的观点来看，其效益是非常明显的。

加快高性能钛合金的研发速度、降低研发成本对我国高端装备制造至关重要。作为关键结构材料，强度、塑性与韧性是保障钛合金构件安全运行的关键力学性能指标。高端装备制造对高性能材料的需求迫切，尤其是对缩短研发时间与降低成本的需求。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。进行合金新材料的创新离不开合金结构和成分设计，而材料的热力学和动力学是解决该类问题的主要方法。通过优化合金元素的筛选和成分确定，不仅可以达到所需要的各种性能指标，还会降低合金冶炼和加工的生产成本和对设备的要求。该类产品不仅使用寿命有了进一步的提高，还便于工业化大规模生产。可以预见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。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金。按重量百分比计,合金的组成为Li:1.5-2.0wt.%,Mg:5.0-6.0wt.%,Al:2.0-3.0wt.%,Sn:2.0-3.0wt.%,Si:1.2-1.5wt.%,Zr:0.3-0.5wt.%,Ni:1.2-1.5wt.%,Cu:0.5-0.8wt.%，余量为钛。

上述一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金，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520-560度，1.2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：310-340度固溶处理1.2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）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％。但用它做大锻件(大断面的零件)时则组织和性能难以均匀，强度也嫌低。此外，该合金的密度还有望进一步降低以适应航空航天和交通运输轻量化的需要。本专利申请保护了一种新型的低密度钛合金，且该合金具有高强度和良好的塑性，和宽泛的冷加工变形范围。它不仅是宇航工业中的优良结构材料，而且也是石油、化工、医疗器械领域的一种新型α+β钛合金。

（2）本专利申请保护的钛合金热加工温度范围广，其α+β/β相转变温度为870度。因而该材料即可以在α+β相区进行热加工，也可以在β相区进行热加工。其加工的温度范围为750-1050度。所得锻件的物理性能和力学性能良好，并且两种加工方法所得锻造材料的低频疲劳性能基本相同。因而，该材料优异的热加工宽泛性给模锻时的模具寿命和锻造操作带来了极为优异的便利。相比而言，Ti-6A1-4V合金的α+β/β相转变温度为995度，需要更高的热加工温度和能量消耗。此外，该合金具有低的超塑性温度。本专利申请钛合金的最佳超塑性温度为820度，比Ti-6A1-4 V合金低100度左右，这样也使加工零件的模具材料容易解决，并给加工的设备和操作带来方便。

（3）该合金具有优异的凝固性能，且能够克服大多在Ti-6A1-4V合金铸造过程中出现的技术难题。该合金铸锭表面光亮，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。合金元素的优化能显著提高合金流动性，从而有效提高合金的填充性能以及表面质量，它使得合金在铸态下可以直接获得光亮的表面。该合金完全解决了传统Ti-6A1-4V合金在铸造过程中会出现强烈的缩孔趋势、狭窄的凝固范围，致使铸件形成夹渣、缩孔，因此废品率很高的缺点。在认为合格的传统Ti-6A1-4V合金铸件中，几乎皆要进行某些形式的焊补，包括从表面焊补到完全穿透后的焊补。而这些加工性能的不利方面，在本专利申请保护的铸造用钛合金中是不存在的。

（4）该合金在500度左右的温度范围内具有优异的热稳定性能，抗拉强度能在4年内长时间稳定在920-950MPa，而Ti-6A1-4V合金的抗拉强度在该温度下已经降低到820MPa以下。传统的Ti-6A1-4V合金密度一般维持在4.2-4.5g/cm³左右，而本专利申请保护的轻量化钛合金密度可以维持在3.5-3.6g/cm³。在保证该合金具有高于Ti-6A1-4V合金力学性能的同时，可以将钛合金的密度进一步降低，从而降低采用该合金材料器件的整体重量。因而，本合金是一种优良的耐热结构材料，可做飞机发动机的压气机盘、叶片、隔套和飞机结构中的一些梁、轴、支架、加强肋、无磁燃料箱等;宇宙飞行器的各种支承骨架、高压容器，火箭发动机的一些涡轮盘;还有石油、化学工业、造船、纺织、医疗等工件。

具体实施方式

实施例1

一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Li:1.5wt.%,Mg:5.0wt.%,Al:2.0wt.%,Sn:2.0wt.%,Si:1.2wt.%,Zr:0.3wt.%,Ni:1.2wt.%,Cu:0.5wt.%，余量为钛。上述一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金，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520-560度，1.2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：310-340度固溶处理1.2小时,随后空冷。

该合金具有优异的凝固性能，且能够克服大多在Ti-6A1-4V合金铸造过程中出现的技术难题。该合金铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。该钛合金热加工温度范围广，其α+β/β相转变温度为870度。因而该材料即可以在α+β相区进行热加工，也可以在β相区进行热加工。其加工的温度范围为750-1050度,所得锻件的物理性能和力学性能良好。因而，该材料优异的热加工宽泛性给模锻时的模具寿命和锻造操作带来了极为优异的便利。该合金在500度左右的温度范围内具有优异的热稳定性能，抗拉强度能在4年内长时间稳定在925MPa，而Ti-6A1-4V合金的抗拉强度在该温度下已经降低到820MPa以下。传统的Ti-6A1-4V合金密度一般维持在4.2-4.5g/cm³左右，而本专利申请保护的轻量化钛合金密度可以维持在3.5g/cm³。在保证该合金具有高于Ti-6A1-4V合金力学性能的同时，可以将钛合金的密度进一步降低，从而降低采用该合金材料器件的整体重量。

实施例2

一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Li:2.0wt.%,Mg:6.0wt.%,Al:3.0wt.%,Sn:3.0wt.%,Si:1.5wt.%,Zr:0.5wt.%,Ni:1.5wt.%,Cu:0.8wt.%，余量为钛。上述一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金，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520-560度，1.2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：310-340度固溶处理1.2小时,随后空冷。

该合金具有优异的凝固性能，且能够克服大多在Ti-6A1-4V合金铸造过程中出现的技术难题。该合金铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。该钛合金热加工温度范围广，其α+β/β相转变温度为870度。因而该材料即可以在α+β相区进行热加工，也可以在β相区进行热加工。其加工的温度范围为750-1050度,所得锻件的物理性能和力学性能良好。因而，该材料优异的热加工宽泛性给模锻时的模具寿命和锻造操作带来了极为优异的便利。该合金在500度左右的温度范围内具有优异的热稳定性能，抗拉强度能在4年内长时间稳定在935MPa，而Ti-6A1-4V合金的抗拉强度在该温度下已经降低到820MPa以下。传统的Ti-6A1-4V合金密度一般维持在4.2-4.5g/cm³左右，而本专利申请保护的轻量化钛合金密度可以维持在3.6g/cm³。在保证该合金具有高于Ti-6A1-4V合金力学性能的同时，可以将钛合金的密度进一步降低，从而降低采用该合金材料器件的整体重量。

实施例3

一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Li:1.8wt.%,Mg:5.2wt.%,Al:2.5wt.%,Sn:2.4wt.%,Si:1.3wt.%,Zr:0.4wt.%,Ni:1.2wt.%,Cu:0.6wt.%，余量为钛。上述一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金，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520-560度，1.2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：310-340度固溶处理1.2小时,随后空冷。

该合金具有优异的凝固性能，且能够克服大多在Ti-6A1-4V合金铸造过程中出现的技术难题。该合金铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。该钛合金热加工温度范围广，其α+β/β相转变温度为870度。因而该材料即可以在α+β相区进行热加工，也可以在β相区进行热加工。其加工的温度范围为750-1050度,所得锻件的物理性能和力学性能良好。因而，该材料优异的热加工宽泛性给模锻时的模具寿命和锻造操作带来了极为优异的便利。该合金在500度左右的温度范围内具有优异的热稳定性能，抗拉强度能在4年内长时间稳定在940MPa，而Ti-6A1-4V合金的抗拉强度在该温度下已经降低到820MPa以下。传统的Ti-6A1-4V合金密度一般维持在4.2-4.5g/cm³左右，而本专利申请保护的轻量化钛合金密度可以维持在3.5g/cm³。在保证该合金具有高于Ti-6A1-4V合金力学性能的同时，可以将钛合金的密度进一步降低，从而降低采用该合金材料器件的整体重量。

Claims

1.一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金；按照重量百分比,该合金的成分为:Li:1.5-2.0wt.%,Mg:5.0-6.0wt.%,Al:2.0-3.0wt.%,Sn:2.0-3.0wt.%,Si:1.2-1.5wt.%,Zr:0.3-

0.5wt.%,Ni:1.2-1.5wt.%,Cu:0.5-0.8wt.%，余量为钛。

2.根据权利要求1所述一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金，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所述一种超轻具备优异热加工性能和高温稳定性的钛合金，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520-560度，1.2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：310-340度固溶处理1.2小时,随后空冷。