CN109136647A - 一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Ca:0.4‑0.8wt.%,Cr:4.0‑5.0wt.%,Fe:6.0‑8.5wt.%,Al:16.0‑18.0wt.%,Sb:2.5‑2.8wt.%,Mn:1.2‑1.5wt.%,Sn:2.0‑3.0wt.%,Y:0.2‑0.4wt.%，余量为钛。本专利为化工领域提供了一种低沉本高强度且耐腐蚀的钛合金。该合金的实施和产业化会大大推动我国在高端领域对先进钛合金材料的商业升级需求。

Description

一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺
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，提供一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺。按重量百分比计,合金的组成为Ca:0.4-0.8wt.%,Cr:4.0-5.0wt.%,Fe:6.0-8.5wt.%,Al:16.0-18.0wt.%,Sb:2.5-2.8wt.%,Mn:1.2-1.5wt.%,Sn:2.0-3.0wt.%,Y:0.2-0.4wt.%，余量为钛。
上述一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺，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：300-320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） 化工产品的生产通常在其整个流水线中涉及高腐蚀性、高温度高压力等极端环境，从而对化工设备的使用性能提出了巨大的要求。钛材料在当前化工设备的制造中使用量越来越多，这与其耐腐蚀性和抗压抗爆性等多种优点是分不开的。尽管钛材料的投入能够为化工设备的使用带来更为稳定的运作效用，需要对设备生产一次性投人大量的资金，从而致使钛材料在化工设备生产制造中所占各类材料使用的数量比例依旧相对较小。本专利为钛合金在化工领域提供了一种廉价的钛合金的选择方案。在化工领域，使用者注重的是合金材料的耐腐蚀能力，而非钛合金本身的低密度特点。因而，本专利通过大量的合金化来降低钛合金的制备成本，并为化工领域提供了一种极具耐腐蚀能力的新型钛合金。
（2） 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％。本专利申请保护的钛合金具有优异的力学和化学性能。该合金能通过热处理，时效到很高的强度水平。该合金的屈服强度为1360-1450MPa，抗拉强度为1450-1580MPa，延伸率为9.5-12%。因而该材料具备强度、塑性、韧性匹配性好，其性能已经超越了Ti-6A1-4V合金的力学性能。
（3） 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。
（4） 本专利申请保护的钛合金在腐蚀性的介质中表现出优异的耐腐蚀性能。该合金在10%HCl溶液中的腐蚀速度为0.006mm/年，而纯钛的腐蚀速度为1.067mm/年。因而该合金在具备极其优异的力学性能的同时，也是一种很好的耐腐蚀合金。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
一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Ca:0.4wt.%,Cr:4.0wt.%,Fe:6.0wt.%,Al:16.0wt.%,Sb:2.5wt.%,Mn:1.2wt.%,Sn:2.0wt.%,Y:0.2wt.%，余量为钛。上述一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺，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：300-320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。该合金能通过热处理，时效到很高的强度水平。该合金的屈服强度为1390MPa，抗拉强度为1460MPa，延伸率为10%。因而该材料具备强度、塑性、韧性匹配性好，其性能已经超越了Ti-6A1-4V合金的力学性能。该合金在10%HCl溶液中的腐蚀速度为0.006mm/年，而纯钛的腐蚀速度为1.067mm/年。因而该合金在具备极其优异的力学性能的同时，也是一种很好的耐腐蚀合金。
实施例2
一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Ca:0.8wt.%,Cr:5.0wt.%,Fe:8.5wt.%,Al:18.0wt.%,Sb:2.8wt.%,Mn:1.5wt.%,Sn:3.0wt.%,Y:0.4wt.%，余量为钛。上述一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺，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：300-320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。该合金能通过热处理，时效到很高的强度水平。该合金的屈服强度为1420MPa，抗拉强度为1460MPa，延伸率为11%。因而该材料具备强度、塑性、韧性匹配性好，其性能已经超越了Ti-6A1-4V合金的力学性能。该合金在10%HCl溶液中的腐蚀速度为0.006mm/年，而纯钛的腐蚀速度为1.067mm/年。因而该合金在具备极其优异的力学性能的同时，也是一种很好的耐腐蚀合金。
实施例3
一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为Ca:0.5wt.%,Cr:4.2wt.%,Fe:6.5wt.%,Al:16.8wt.%,Sb:2.6wt.%,Mn:1.4wt.%,Sn:2.8wt.%,Y:0.3wt.%，余量为钛。上述一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺，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：300-320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。该合金能通过热处理，时效到很高的强度水平。该合金的屈服强度为1380MPa，抗拉强度为1520MPa，延伸率为10%。因而该材料具备强度、塑性、韧性匹配性好，其性能已经超越了Ti-6A1-4V合金的力学性能。该合金在10%HCl溶液中的腐蚀速度为0.006mm/年，而纯钛的腐蚀速度为1.067mm/年。因而该合金在具备极其优异的力学性能的同时，也是一种很好的耐腐蚀合金。

Claims (3)

1.一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺；按照重量百分比,该合金的成分为:Ca:0.4-0.8wt.%,Cr:4.0-5.0wt.%,Fe:6.0-8.5wt.%,Al:16.0-18.0wt.%,Sb:2.5-2.8wt.%,Mn:1.2-
1.5wt.%,Sn:2.0-3.0wt.%,Y:0.2-0.4wt.%，余量为钛。
2.根据权利要求1所述一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺，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所述一种化工领域用低成本高强度耐腐蚀钛合金及其加工工艺，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：300-320度固溶处理1.5小时,随后空冷。
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