CN109161726A

CN109161726A - 一种高强高韧耐蚀钛合金及其制备方法

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Publication number: CN109161726A
Application number: CN201811055323.5A
Authority: CN
Inventors: 吴宇坤; 张斌斌; 王洋
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2019-01-08
Anticipated expiration: 2038-09-11
Also published as: CN109161726B

Abstract

本发明涉及一种高强高韧耐蚀钛合金及其制备方法，属于合金领域，所述钛合金的元素成分（按质量百分数）组成分别为：Al：3.0~7.0%；β稳定元素（Mo+Nb+V）2.0~6.0%，Ta：0.01~6.0%；Zr：0.5~3.5%；余量为Ti和不可避免的杂质。合金性能为：R_p0.2≥840MPa，R_m≥940MPa，A≥8%，K_IC≥110MPa•m^1/2，K_ISCC≥100MPa•m^1/2，KV₂≥60J。该合金在船舶和海洋工程等领域具有良好的技术应用与市场前景。

Description

一种高强高韧耐蚀钛合金及其制备方法

技术领域

本发明属于合金领域，具体地，涉及一种高强高韧耐蚀钛合金及其制备方法。

背景技术

钛及其合金具有密度低、比强度高、无磁性、以及优异的耐腐蚀性等一系列优点，已在海洋开发上得到广泛的应用，目前已经成为重要的结构材料，被称为“海洋金属”。

作为船舶及海洋装备用合金，对材料本身有着特殊的要求，不仅要有足够的强度，而且要兼顾合适的韧性。因为船舶海洋工程用钛合金特殊的服役环境，尤其是含盐环境中，对钛合金的抗应力腐蚀能力有特别高的要求。近几年后我国海洋事业和海军的发展日益增长，对钛合金材料的强度、韧性和塑性也提出了更高的要求，如油井管、深潜器等水下耐压构件要求钛合金具有较高的强度和冲击韧性。

目前国内外主要代表性的高强钛合金有Ti62222S、BT22、Ti1023、TB2和TB10等，这些合金抗拉强度较高，但塑性和断裂韧性较低，不能满足海洋环境的特殊使用工况，如一些船舶发生海损事故的重要原因就是由于材料的脆性。这对海洋装备的服役安全性、可靠性造成重大隐患，因此需要开发一种断裂韧性、抗拉强度、耐海水腐蚀性能和屈服强度等综合性能良好的新型高强高韧耐蚀钛合金。

发明内容

针对现有技术所面临的问题，本发明的目的一在于提供一种高强高韧耐蚀钛合金，目的二在于进一步提供制备所述钛合金的制备方法。

为了实现上述目的，本发明发明采用的具体方案为：

一种高强高韧耐蚀钛合金，按照质量百分数，所述钛合金包含以下元素组分：α稳定元素：3.0~7.0%；β稳定元素：2.0~6.0%；Ta：0.01~6.0%；Zr：0.5~3.5%；余量为Ti和不可避免的杂质；所述α稳定元素为Al；所述β稳定元素为Mo、Nb和V中的至少一种。

作为对上述方案的进一步优化，按照质量百分数，所述钛合金包含以下元素组分：6%的Al、1%的Mo、2%的Zr、3%的Nb和3%的Ta，余量为Ti和不可避免的杂质。

作为对上述方案的进一步优化，按照质量百分数，所述钛合金包含以下元素组分：4.5%的Al、2%的Zr、3%的Nb、0.5%的Ta和2%的V，余量为Ti和不可避免的杂质。

本发明进一步提供制备上述高强高韧耐蚀钛合金的方法，包括以下步骤：

步骤一：合金成分配料：按照质量百分数，对锆、铝、铌、钼、钒、钽元素进行称重配料，完全混合后压成电极；其中，称重配料过程中，铌、钼、钒、钽元素以中间合金的形式加入，锆、铝元素以纯金属的形式加入；

步骤二：铸锭熔炼：铸锭采用真空自耗电弧熔炼技术制备，制备过程中，预熔真空度为1Pa，熔炼次数为≥3次；在铸锭熔炼起弧阶段，时间控制在2-6min；在正常熔炼阶段，电流在2000A以上，时间在15-20min；在收弧补缩阶段，电流强度分节依次降低；将制备的铸锭车皮后，去缩口，然后进行开坯锻造；

步骤三：开坯锻造：所述铸锭经加热后在空气锤或压机上开坯，开坯锻造温度在1020-1030℃，到温装炉后，加热面积视坯料截面积尺寸决定；保温时间：冷料0.5-1.5min/mm；在铸锭表面涂刷高温防氧化涂料；经多火次加工，每火次进行2-3次反复变换方向的墩拔，每火次增粗比为1.5-2；每火次终锻后检查锻件表面，若出现裂纹应用砂轮机将裂纹磨除，打磨深宽比应大于1:10；两火次总变形量大于70%；最后加工成板坯或锻件；

步骤四：板材轧制：采用冷热轧机将板坯轧制为不同厚度的宽幅板材。

作为对上述方案的进一步优化，步骤四所述轧制热轧工艺：备料—加热至150℃—轧板防护涂料—加热至870℃—一火轧制—中间修磨、分料—热轧制成品，终轧750℃—真空退火650℃—喷砂—探伤—取样检验—入库。

作为对上述方案的进一步优化，步骤四所述轧制冷轧工艺：热轧板—喷砂，表面修磨—冷轧—真空退火650℃—探伤—取样—入库。

有益效果：

1、本发明提供一种高强高韧耐蚀钛合金，该合金具有良好的冷热加工性能，可成形为锻件和厚板等；该合金具有较好的强度-塑性-韧性匹配，屈服强度R_p0.2≥840MPa，抗拉强度R_m≥940MPa，延伸率A≥8%，断裂韧性K_IC≥110MPa•m^1/2，K_ISCC≥100MPa•m^1/2，KV₂≥60J，在船舶和海洋工程等领域具有良好的技术应用与市场前景。

2、本发明制备的高强度高韧耐钛合金，其为近α钛合金，含有Al、Mo、Nb、V、Ta、Zr、等合金元素。其中Al元素为α相稳定元素，其主要作用是固溶强化；Mo、Nb、V、Ta元素为β相稳定元素，Mo、Nb、V元素的作用是进一步提高钛合金强度，同时使合金组织具有一定的β相，改善合金的加工性能，而Nb元素的加入，还可以提高钛合金的抗缝隙腐蚀性能，其中Ta元素可以提高钛合金的抗应力腐蚀能力；Zr元素为中性元素，主要作用提高合金的止裂性能，Zr元素还能提高材料的焊接性。

具体实施方式

一种高强高韧耐蚀钛合金，按质量百分数其组成为：α稳定元素Al： 3.0~7.0%，β稳定元素（Mo+Nb+V）：2.0~6.0%，Ta：0.01~6.0%；中性元素Zr：0.5~3.5%；余量为Ti和不可避免的杂质。

本发明所述的高强高韧耐蚀钛合金的制备包括以下步骤：

步骤一：合金成分配料：铌、钼、钒、钽元素以中间合金的形式加入，锆、铝元素以纯金属的形式加入，按预先设定的配方，即α稳定元素Al： 3.0~7.0%，β稳定元素（Mo+Nb+V）：2.0~6.0%，Ta：0.01~6.0%；中性元素Zr：0.5~3.5%，称重配料，完全混合后，压成电极。

步骤二：铸锭熔炼：铸锭采用真空自耗电弧熔炼技术制备，预熔真空度应达到1Pa，为保证合金成分均匀，熔炼次数≥3次，铸锭熔炼起弧阶段，时间控制在2-6min左右，正常熔炼阶段电流在2000A以上，时间在15-20min，收弧补缩阶段电流强度分节依次降低。将铸锭车皮后，去缩口，然后进行开坯锻造。

步骤三：开坯锻造：铸锭经加热后在空气锤或压机上开坯，开坯锻造温度在1020-1030℃，到温装炉后，加热面积视坯料截面积尺寸决定，，保温时间：冷料0.5-1.5min/mm。铸锭表面涂刷高温防氧化涂料。经多火次加工，每火次进行2-3次得反复变换方向的墩拔，每火次增粗比为1.5-2。每火次终锻后检查锻件表面，若出现裂纹应用砂轮机将裂纹磨除，打磨深宽比应大于1:10，最后两火次总变形量大于70%。最后在空气锤、水压机、挤压机等设备上加工成板坯或锻件等。

步骤四：板材轧制：采用冷热轧机将板坯轧制为不同厚度的宽幅板材。热轧工艺：备料—加热至150℃—轧板防护涂料—加热至870℃—一火轧制—中间修磨、分料—热轧制成品，830℃，终轧750℃—真空退火650℃—喷砂—探伤—取样检验—入库。冷轧工艺：热轧板—喷砂，表面修磨—冷轧—真空退火650℃—探伤—取样—入库。

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：Ti-3Al -1Zr -3Mo-1V-0.01Ta合金

按照各元素成分的质量百分数，对元素成分进行称量配料；各元素成分及其质量百分数如下：3wt.%的铝元素、3wt.%的Mo元素、1wt.%的锆元素、1wt.%的钒元素、0.01wt.%的钽元素，余量为工业1级海绵钛；称量后通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。再经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。然后经热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例2：Ti-4Al-5 Nb -0.5Zr -1Mo合金

按照各元素成分的质量百分数，对元素成分进行称量配料；各元素成分及其质量百分数如下：4wt.%的铝元素、1wt.%的Mo元素、0.5wt.%的锆元素、5wt.%的铌元素，余量为工业1级海绵钛，称量后通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。然后经热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例3： Ti-4.5Al-3Nb -2Zr-2V -0.5Ta合金

按照各元素成分的质量百分数，对元素成分进行称量配料；各元素成分及其质量百分数如下：4.5wt.%的铝元素、2wt.%的锆元素、3wt.%的铌元素、0.5wt.%的钽元素、2wt.%的钒元素，余量为工业1级海绵钛；称量后通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。然后经热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例4：Ti-5Al-4Nb -3.5Zr-2V -1Ta合金

按照各元素成分的质量百分数，对元素成分进行称量配料；各元素成分及其质量百分数如下：5wt.%的铝元素、3.5wt.%的锆元素、4wt.%的铌元素、2wt.%的钒元素、1wt.%的钽元素，余量为工业1级海绵钛；称量后通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。然后经热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例5：Ti-6Al-3Nb -2Zr -1Mo-3Ta合金

按照各元素成分的质量百分数，对元素成分进行称量配料；各元素成分及其质量百分数如下：6wt.%的铝元素、1wt.%的Mo元素、2wt.%的锆元素、3wt.%的铌元素、3wt.%的钽元素，余量为工业1级海绵钛；称量后通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。然后经热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

实施例6：Ti-7Al -2Zr -2Mo-6Ta合金

按照各元素成分的质量百分数，对元素成分进行称量配料；各元素成分及其质量百分数如下：7wt.%的铝元素、2wt.%的Mo元素、2wt.%的锆元素、6wt.%的钽元素，余量为工业1级海绵钛；称量后通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。然后经热处理制度处理后，该合金材料性能见表1。

在上述实施例中，称量配料过程中，铌、钼、钒、钽元素以中间合金的形式加入，中间合金中元素间的比例关系不作要求；锆、铝元素以纯金属的形式加入。

上述各实施例中制备的新型高强高韧耐蚀钛合金材料的成分及性能如表1所示。

从上表1可知，合金性能为：R_p0.2≥840MPa，R_m≥940MPa，A≥8%，K_IC≥110MPa•m^1/2，K_ISCC≥100MPa•m^1/2，KV₂≥60J，综合性能良好，该合金在船舶和海洋工程等领域具有良好的技术应用与市场前景。

另外，需要说明的是，以上所述的实施例应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强高韧耐蚀钛合金，其特征在于：按照质量百分数，所述钛合金包含以下元素组分：α稳定元素：3.0~7.0%；β稳定元素：2.0~6.0%；Ta：0.01~6.0%；Zr：0.5~3.5%；余量为Ti和不可避免的杂质；

所述α稳定元素为Al；所述β稳定元素为Mo、Nb和V中的至少一种。

2.如权利要求1所述的一种高强高韧耐蚀钛合金，其特征在于：按照质量百分数，所述钛合金包含以下元素组分：6%的Al、1%的Mo、2%的Zr、3%的Nb和3%的Ta，余量为Ti和不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的一种高强高韧耐蚀钛合金，其特征在于：按照质量百分数，所述钛合金包含以下元素组分：4.5%的Al、2%的Zr、3%的Nb、0.5%的Ta和2%的V，余量为Ti和不可避免的杂质。

4.制备如权利要求1-3任意一中所述的一种高强高韧耐蚀钛合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤四所述轧制热轧工艺：备料—加热至150℃—轧板防护涂料—加热至870℃—一火轧制—中间修磨、分料—热轧制成品，终轧750℃—真空退火650℃—喷砂—探伤—取样检验—入库。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤四所述轧制冷轧工艺：热轧板—喷砂，表面修磨—冷轧—真空退火650℃—探伤—取样—入库。