CN109182840A

CN109182840A - 一种低成本中强钛合金材料及其制备方法

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Publication number: CN109182840A
Application number: CN201811115820.XA
Authority: CN
Inventors: 薛祥义; 张利军; 周中波; 刘娣; 吴天栋
Original assignee: Xi'an Super Crystal Science & Technology Development Co Ltd
Current assignee: Xi'an Super Crystal Science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2019-01-11

Abstract

一种低成本中等强度钛合金材料及其制备方法，将海绵钛、Fe屑、Al豆、钛白粉以及钛硅合金进行称重混料，压制为电极块；采用离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为条状电极；用制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，获得二次锭；将二次锭冷却后加热后进行开坯锻造得到坯料；将坯料加热后多火次锻造为棒材或板坯。本发明由于采用低成本的Fe元素代替高成本的V、Mo元素作为合金强化剂，可降低合金制造成本12％至20％，并且制备的钛合金材料及其棒材、板材、锻件的抗拉强度为700MPa～950MPa、延伸率为8％～25％。

Description

一种低成本中强钛合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于钛合金材料制造领域，涉及一种低成本中等强度钛合金材料及其制备方法，应用于舰船制造、兵器装备制造、化工能源制造、电子仪器制造等行业。

背景技术

钛合金材料由于其相对低密度低、比强度高、良好的高温性能以及优异的抗腐蚀性能与抗电磁性能，是理想的航空、航天、舰船、兵器、化工等工业领域用金属结构材料，已经在航空、航天等高端工业领域广泛应用。目前，中强钛合金常用的合金元素主要有Al、Mo、V、Zr、Nb等，由于Mo、V、Zr、Nb等原料成本相对很高，使得最终的钛合金材料价格较传统的不锈钢材、铝材高出数十倍。钛合金材料的高成本严重制约了其在舰船、兵器、化工、能源等行业的规模化推广应用，特别是进入2018年以来，Al-V、Al-Mo等中间合金的涨幅达到了200％，以目前使用最为广泛的Ti-6Al-4V钛合金为例，Al-V中间合金的涨价致使其制造成本进一步增加了20％左右，对钛合金材料的大范围的推广使用产生了较为不利的影响。

所以，致力于发展低成本的钛合金材料是广大钛合金行业从业人员孜孜以求的目标。为了解决兵器、舰船、电子等行业对低成本中强钛合金的需求，有必要提供一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法。

发明内容

为了现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种低成本中等强度钛合金材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案来为：

一种低成本中等强度钛合金材料，该材料的组分为Ti-Al-Fe-O-Si，其质量百分比为：Al：3.0％～5.5％、Fe：0.4％～2.0％、O：0.06％～0.50％、Si：0.05％～0.35％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：C：≤0.05％、N：≤0.03％、H：≤0.015％。

一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照组分的质量百分比为：Al：3.0％～5.5％、Fe：0.4％～2.0％、O：0.06％～0.50％、Si：0.05％～0.35％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：C：≤0.05％、N：≤0.03％、H：≤0.015％，将海绵钛、Fe屑、Al豆、钛白粉以及钛硅合金进行称重混料，压制为电极块；

2)采用离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为条状电极；

3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；

4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，获得二次锭；

5)将二次锭冷却后加热后进行开坯锻造得到坯料；

6)将坯料加热后多火次锻造为棒材或板坯。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中离子焊为真空等离子焊或氩气保护离子焊。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中熔炼电流为5～23KA，熔炼电压为26～40V。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中熔炼电流为7～25KA，熔炼电压为26～40V。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中加热温度为1000～1200℃，时间为3～6h；步骤5)中冷却至400℃以下。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中加热的温度为900～1100℃，时间为1.5～4h。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中棒材的直径为20mm～500mm，板材的厚度为80mm～200mm。

本发明进一步的改进在于，将直径20～500mm的棒材在900～1050℃加热后锻造为锻件，将厚度80～200mm的板坯在900～1050℃加热后轧制为2～50mm厚度的板材。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：铁是最强的β稳定元素之一，能够降低钛合金中(α+β)/β相变温度，生成间隙固溶体，Fe元素可以提高钛的强度极限10MPa。本发明由于采用低成本的Fe元素代替高成本的V、Mo元素作为合金强化剂，可降低合金制造成本12％至20％，并且本发明制备的钛合金材料及其棒材、板材、锻件的抗拉强度为700MPa～950MPa、延伸率为8％～25％，为我国舰船制造、兵器装备制造、电子仪器制造、化工能源制造等行业提供一种可大范围推广使用的价格低廉的钛合金材料。

进一步的，冷却至400℃以下，能够避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

本发明提出的低成本中等强度钛合金材料的组分为Ti-Al-Fe-O-Si，其质量百分比为：Al：3.0％～5.5％、Fe：0.4％～2.0％、O：0.06％～0.50％、Si：0.05％～0.35％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：C：≤0.05％、N：≤0.03％、H：≤0.015％。

上述低成本中等强度钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照组分的质量百分比为：Al：3.0％～5.5％、Fe：0.4％～2.0％、O：0.06％～0.50％、Si：0.05％～0.35％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：C：≤0.05％、N：≤0.03％、H：≤0.015％，进行称重混料，采用压力机压制为电极块；

2)采用离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为条状电极；其中，离子焊为真空等离子焊或氩气保护离子焊。

3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；其中，熔炼电流为5～23KA，熔炼电压为26～40V。

4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，获得二次锭；其中，熔炼电流为7～25KA，熔炼电压为26～40V。

5)将二次锭冷却到400℃以下出炉。

6)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试。

7)将铸锭在1000～1200℃加热3～6h后进行开坯锻造，得到坯料。

8)将坯料在900～1100℃加热1.5～4h后多火次锻造为直径的棒材、δ80mm～δ200mm厚度的板坯。

9)直径的棒材在900～1050℃加热0.5～2h后锻造为所需规格形状的锻件、将δ80mm～δ200mm厚度的板坯在900～1050℃加热0.5～2h后轧制为δ2mm～δ50mm厚度的板材。

下面为具体实施例。

实施例1

300Kg级Ti-3.0Al-2.0Fe-0.5O-0.35Si合金铸锭及其棒材制备：

(1)配料及电极压制：

选用一级海绵钛、Fe屑、Al豆、钛白粉以及钛硅合金，按照上述成分配比进行称重、混料，用压力机压制成块状电极。

(2)电极制备：

采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。

(3)制备一次锭

用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为5～7KA，熔炼电压为26～32V。

(4)制备铸锭

将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为7～9KA，熔炼电压为28～35V。

(5)冷却

熔炼完成后铸锭要求冷却到400℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。

(6)扒皮、切冒口、取样

用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表1-1所示：

表1-1 Ti-3.0Al-2.0Fe-0.5O-0.35Si合金铸锭化学成分

(7)铸锭开坯

将铸锭加热到1000～1200℃保温3～4小时后出炉开坯锻造：

镦→□325×325拔→□255×520镦→□325×325→拔□255×520。其中，表示棒形，□表示方形。

(8)中间坯料锻造

坯料在1050℃加热3小时后出炉锻造：□255×520拔→□150×1502热切拔→□150×500；

坯料在1000℃加热2小时后出炉锻造：□150×500拔→

坯料在980℃加热1.5小时后出炉锻造：拔→切→。

(9)小规格棒丝材轧制

坯料在960℃加热1小时后出炉轧制：轧制→；

(10)热处理及性能测试

将棒材在850℃保温1.5小时，取样进行力学性能试验，见表1-2。

表1-2钛合金棒材室温力学性能

实施例2

1000Kg级Ti-5.5Al-0.4Fe-0.06O-0.05Si合金铸锭及其锻件制备：

(1)配料及电极压制：

(2)电极制备：

采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。

(3)制备一次锭

用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为8～10KA，熔炼电压为26～32V。

(4)制备铸锭

将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为11～13KA，熔炼电压为28～35V。

(5)冷却

(6)扒皮、切冒口、取样

用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表2-1所示：

表2-1 Ti-5.5Al-0.4Fe-0.06O-0.05Si合金铸锭化学成分

(7)铸锭开坯

将铸锭加热到1000～1200℃保温4～5小时后出炉开坯锻造：

镦→□460×450拔→□360×730镦→□460×450拔→□360×730。

(8)中间坯料锻造

坯料在1050℃加热4小时后出炉锻造：□360×730镦→□460×450拔→□360×730拔→□250×L；

坯料在1000℃加热3小时后出炉锻造：□250×L拔→；

(9)环锻件轧制

坯料在980℃加热3小时后出炉轧制：马扩→；

坯料在960℃加热2小时后出炉轧制：轧制→；

(10)热处理及性能测试

将锻件在850℃保温1.5小时，取样进行力学性能试验，见表2-2。

表2-2钛合金环锻件室温力学性能

实施例3

2000Kg级Ti-4.25Al-1.2Fe-0.2O-0.18Si合金铸锭及其棒材制备：

(1)配料及电极压制：

(2)电极制备：

采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。

(3)制备一次锭

用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为12～14KA，熔炼电压为28～35V。

(4)制备铸锭

将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为18～22KA，熔炼电压为28～38V。

(5)冷却

(6)扒皮、切冒口、取样

用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表3-1所示：

表3-1 Ti-4.25Al-1.2Fe-0.2O-0.18Si合金铸锭化学成分

(7)铸锭开坯

将铸锭在加热到1000～1200℃保温4～5小时后出炉开坯锻造：Φ540×580拔→□220×2700四均分→□220×670。

(8)中间坯料锻造

坯料在1000℃加热2.5小时后出炉锻造：□220×670拔→□130×1850；

坯料在960℃加热2小时后出炉锻造：□130×1850摔圆→两均分→；

(9)棒材两火精锻

坯料在960℃加热1.5小时后出炉精锻：Φ130×L精锻→；

坯料在960℃加热1.5小时后出炉精锻：Φ85×L精锻→；

(10)热处理及性能测试

将棒材在850℃保温1.5小时，取样进行力学性能试验，见表3-2。

表3-2钛合金棒材室温力学性能

实施例4

3000Kg级Ti-4.5Al-1.5Fe-0.2O-0.20Si合金铸锭及其板材制备：

(1)配料及电极压制：

(2)电极制备：

采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。

(3)制备一次锭

用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为20～23KA，熔炼电压为28～38V。

(4)制备铸锭

将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为22～25KA，熔炼电压为28～40V。

(5)冷却

(6)扒皮、切冒口、取样

用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表4-1所示：

表4-1 Ti-4.5Al-1.5Fe-0.2O-0.20Si合金铸锭化学成分

(7)铸锭开坯

将铸锭加热到1000～1200℃保温5～6小时后出炉开坯锻造：

拔→□480×950镦→□600×600拔→□360×1700(中分)。

(8)中间坯料锻造

坯料在1050℃加热4小时后出炉锻造：□360×850拔→δ120×950×950；

(9)板材轧制

坯料在980℃加热2小时后出炉轧制：δ120×950×950轧制→δ25×950×4560分料→δ25×950×1100(火切为4节)；

坯料在970℃加热0.5小时后出炉轧制：δ25×1100×950轧制→δ8×1100×3000；

(10)热处理及性能测试

将板材的取样在850℃保温1小时，进行力学性能试验，见表4-2。

表4-2δ8mm钛合金板材室温力学性能

实施例5

1)按照组分的质量百分比为：Al：4.0％、Fe：0.8％、O：0.09％、Si：0.3％，余量为钛和不可避免的杂质，其中，杂质的重量百分比为：C：≤0.05％、N：≤0.03％、H：≤0.015％，将海绵钛、Fe屑、Al豆、钛白粉以及钛硅合金进行称重混料，采用压力机压制为电极块；

3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；其中，熔炼电流为16～18KA，熔炼电压为38～40V。

4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，获得二次锭；其中，熔炼电流为10～13KA，熔炼电压为26～28V。

5)将二次锭冷却到400℃以下出炉。

7)将铸锭在1000℃加热后进行开坯锻造，得到坯料。

8)将坯料在900～1100℃加热后多火次锻造为直径的棒材。

9)直径的棒材在900～1050℃加热后锻造为所需规格形状的锻件。

实施例6

1)按照组分的质量百分比为：Al：5.0％、Fe：1.7％、O：0.3％、Si：0.08％，余量为钛和不可避免的杂质，其中，杂质的重量百分比为：C：≤0.05％、N：≤0.03％、H：≤0.015％，将海绵钛、Fe屑、Al豆、钛白粉以及钛硅合金进行称重混料，采用压力机压制为电极块；

3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；其中，熔炼电流为18～20KA，熔炼电压为30～33V。

4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，获得二次锭；其中，熔炼电流为20～22KA，熔炼电压为30～33V。

5)将二次锭冷却到400℃以下出炉。

7)将铸锭在1200℃加热后进行开坯锻造，得到坯料。

8)将坯料在900～1100℃加热后多火次锻造为δ80mm～δ200mm厚度的板坯。

9)直径的棒材在900～1050℃加热后锻造为所需规格形状的锻件、将δ80mm～δ200mm厚度的板坯在900～1050℃加热后轧制为δ2mm～δ50mm厚度的板材。

本发明由于采用低成本的Fe元素代替高成本的V、Mo元素作为合金强化剂，可降低合金制造成本12％至20％，并且制备的钛合金材料及其棒材、板材、锻件的抗拉强度为700MPa～950MPa、延伸率为8％～25％。

Claims

1.一种低成本中等强度钛合金材料，其特征在于，该材料的组分为Ti-Al-Fe-O-Si，其质量百分比为：Al：3.0％～5.5％、Fe：0.4％～2.0％、O：0.06％～0.50％、Si：0.05％～0.35％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：C：≤0.05％、N：≤0.03％、H：≤0.015％。

2.一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5)将二次锭冷却后加热后进行开坯锻造得到坯料；

6)将坯料加热后多火次锻造为棒材或板坯。

3.根据权利要求2所述的一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中离子焊为真空等离子焊或氩气保护离子焊。

4.根据权利要求2所述的一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中熔炼电流为5～23KA，熔炼电压为26～40V。

5.根据权利要求2所述的一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中熔炼电流为7～25KA，熔炼电压为26～40V。

6.根据权利要求2所述的一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中加热温度为1000～1200℃，时间为3～6h；步骤5)中冷却至400℃以下。

7.根据权利要求2所述的一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤6)中加热的温度为900～1100℃，时间为1.5～4h。

8.根据权利要求2所述的一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤6)中棒材的直径为20mm～500mm，板材的厚度为80mm～200mm。

9.根据权利要求8所述的一种低成本中等强度钛合金材料的制备方法，其特征在于，将直径20～500mm的棒材在900～1050℃加热后锻造为锻件，将厚度80～200mm的板坯在900～1050℃加热后轧制为2～50mm厚度的板材。