CN109266908B

CN109266908B - 一种低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109266908B
Application number: CN201811450664.2A
Authority: CN
Inventors: 石晓辉; 张敏; 刘丹; 李洪毅; 乔珺威
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: CN109266908A

Abstract

本发明公开了一种低成本超高强Ti‑Fe‑Al‑Cr‑Si系钛合金及其制备方法，该合金各组元的质量百分比为：Fe：15‑18%；Al：1‑3%；Cr：2‑4%；Si：1.5‑4%；余量为钛及不可避免的C、N、O、H等杂质。该合金制备方法为：将配制好的高纯原料依熔点由低到高的顺序放置于真空电弧炉内的熔炼池中，将炉腔抽为5×10^‑3Pa高真空后充入0.5 MPa的高纯氩气，反复熔炼4‑5次后得到成分均匀的合金铸锭。本发明所得钛合金室温压缩屈服强度达到1570 MPa~2000 MPa，比强度超过320 kN·m/kg；且该合金中添加了Fe、Al、Cr、Si廉价元素，降低成本约30%以上，应用前景广阔。

Description

一种低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金及其制备方法，所设计的钛合金属于β型钛合金，属于金属材料工程领域。

背景技术

当前，为了适应世界对低碳、环保及绿色工业的迫切需求，产业装备向着轻量化、集成化方向发展，轻质高强金属材料成为产业装备转型升级的必要选择。铝合金及镁合金虽然属于轻质金属，然而其强度较低，比强度差强人意，很大程度上难以满足使用需求。钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的轻质金属材料，具有密度低（约为钢的60%）、比强度高、耐腐蚀、耐高温等优点，被广泛用于航空、航天等国防军事领域，故又叫做“太空金属”。然而，由于海绵钛及其所添加的合金化元素如Mo、V、Nb、Ta等普遍较贵，导致现有钛合金成本较高（超过300元/Kg），极大地限制了其在汽车、舰船、能源、建筑、化工等民用领域的应用。设计一种具有超高强度和超高比强度的低成本钛合金是打破该瓶颈的关键。

针对低成本钛合金的研究主要包括：

中国专利CN 106507830 B，名称为《一种 β 型低成本钛合金》的发明专利，所设计合金化学组成为Al（3.5-5.5wt.%）、Mo（6-8wt.%）、Fe（1-3wt.%），其余为Ti及杂质元素。该合金经过熔铸、锻造及热处理后，室温屈服强度在1150 MPa左右。虽然性能尚可，但由于合金中添加了大量贵金属Mo，因此降低成本效果不佳。

中国专利CN106319286A，名称为《一种低成本钛合金及其制备方法》的发明专利，所设计合金化学组成为Fe（0.5-5wt.％）、B（0.05-0.2wt.％），其余为Ti及杂质元素。该合金经过熔炼、锻造及热处理后，抗拉强度达到750MPa～850MPa，延伸率10-15％。该发明虽然降低了成本，但合金强度稍差。

中国专利CN104818408A，名称为《一种高强度Ti-Al-Fe-Si合金及其制备方法》的发明专利，所设计合金化学组成为Al（3-8 wt.%）、Fe（1-6 wt.%）、Si（0-2 wt.%），其余为Ti及杂质元素。该合金采用了廉价的Fe和Si替代TC4钛合金中较贵的V，经过熔炼、锻造及热处理后，强度提高了约10%，成本降低了约20%。中国专利CN105714150A，名为《一种含Fe和Mn元素的低成本钛合金》的发明专利，所设计合金化学组成为Al（4.5-6wt.%）、Fe（4-6wt.％）、Mn（4-6wt.％）。该合金经过熔炼、轧制及热处理后，室温屈服强度可达到1000 MPa以上，由于所添加的Fe、Mn为廉价金属，故成本降低。上述发明专利在降低钛合金成本或者提高强度方面取得了不同程度的进展。然而，由于所添加廉价元素含量较低且合金制备工艺繁复（熔炼+变形+热处理），导致合金成本未能得到大幅下降，此外，所制备钛合金强度仍在1000 MPa左右浮动，未能达到超高强度的需求。

发明内容

本发明的目的是通过合理添加Fe、Al、Cr、Si廉价合金化元素，提供一种低成本超高强度β型钛合金，本发明还提供了所述钛合金的制备方法。

本发明中，Al为钛合金常用的廉价α稳定元素，Fe、Cr为廉价的强β稳定元素。本发明将廉价的强β稳定元素Fe和Cr的加入量控制在溶解度极限范围内，充分发挥了其对钛合金的固溶强化效应，是本发明获得超高强钛合金的关键因素。根据文献记载，Fe、Cr在钛合金β相中的溶解度可分别达到21%wt.%和4%wt.%左右，为了保证Fe、Cr的固溶强化效应，同时为了尽量避免TiFe化合物或其他硬脆相析出，本申请将Fe、Cr的添加量分别控制在15-18%wt.%和2-4%wt.%范围内。Si的市场价约为60元/Kg，且密度仅为2.3 g/cm³，Si的添加不仅有利于提高合金铸造过程中的流动性，同时生成的Ti₅Si₃化合物对合金起到第二相强化作用，本申请将其含量控制在1.5-4wt.%。本发明中，廉价的Al、Fe、Cr起到固溶强化的作用，Si的加入则对合金起到提高铸造流动性及第二相强化的作用，其中Al、Si还起到降低合金密度的作用。

本发明提供了一种低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金，该合金各组分的质量百分比为：Fe：15-18%；Al：1-3%；Cr：2-4%；Si：1.5-4%；余量为Ti及不可避免的C、N、O、H杂质，杂质总量控制在0.3wt.%以内。

所述钛合金中的Ti由工业纯钛提供，纯净度99.90%，Fe、Al、Cr、Si均以工业单质的形式提供，纯净度分别为99.95%、99.90%、99.10%、99.33%。

上述低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金的制备方法，包括如下步骤：按照每锭28~32g的重量将配制好的高纯原料依熔点由低到高的顺序放置于真空电弧炉内的熔炼池中，将炉腔抽为5×10^-3Pa高真空后充入0.5 MPa的高纯氩气；反复翻转熔炼4-5次后得到成分均匀的合金铸锭。

上述制备方法具体包括以下步骤：

（1）配料：按照每锭28~32 g的重量进行配料，为了保证元素比例的准确性，采用称量精度为±0.02g的电子天平对各元素进行称重；每种元素称量2-3次，取其平均值作为最终重量；

在各元素在称量之前，将其分别放入装有50%酒精+50%水（体积百分比）的混合液体中进行超声振动，以去除表面杂质及油污，超声完毕后用镊子夹出并吹干，等待称量。

（2）将配制好的高纯原料放置于真空电弧炉内的熔炼槽中，由于不同元素之间熔点有差异，为了防止低熔点元素的挥发及飞溅，依照熔点由低到高的顺序放置元素；随后关闭炉门，利用机械泵及分子泵将炉腔抽为5×10^-3Pa高真空，最后充入0.5 MPa的高纯氩气；

（3）操控电子束枪进行合金熔炼，为了保证各元素的充分混合，每次熔炼时间应保证在1-3分钟；反复翻转熔炼4~5次后得到成分均匀的合金铸锭；

（4）利用线切割从合金铸锭上取下Φ3mm×3mm的圆柱试样，试样外表面打磨抛光后进行室温压缩性能测试。

上述方法制得的钛合金，室温压缩屈服强度达到1570 MPa以上，比强度达到320kN·m/kg以上，远超过TC4钛合金约220 kN·m/kg的比强度。此外，同TC4钛合金相比，降低成本约30%以上。

本发明的有益效果：

本发明所设计的Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金室温压缩屈服强度达到1570 MPa~2000MPa左右，较TC4钛合金约提高一倍，比强度超过320 kN·m/kg，较TC4钛合金提高了50%。此外，该合金中添加了较多的Fe、Al、Cr、Si廉价元素，可降低成本约30%以上，在民用领域具有较大的应用前景。

附图说明

图1为实施例1产品的显微组织图；

图2为实施例2产品的显微组织图；

图3为实施例3产品的显微组织图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

本实施例中，具体的合金配比为Fe：15.10wt.%；Al：1.00wt.%；Cr：2.02wt.%；Si：1.50wt.%；余量为Ti及不可避免的C、N、O、H等杂质（杂质总量控制在0.3wt.%以内）。

将按比例配制好的31.590g高纯原料依熔点由低到高的顺序放置于真空电弧炉内的熔炼池中，将炉腔抽为5×10^-3Pa高真空后充入0.5 MPa的高纯氩气。反复翻转熔炼4次后得到成分均匀的Ti-15.10Fe-1.00Al-2.02Cr-1.50Si (wt.%) 合金铸锭，见附图1。

从铸锭上取下Φ3mm×3mm的圆柱试样，试样外表面打磨抛光后进行室温压缩性能测试，工程应变率2×10^-3 s^-1。测得合金压缩屈服强度为1576 MPa，压缩塑性断裂应变为23.4%。依照混合定律算得合金密度为5.00g/cm³，故该合金比强度达到约320 kN·m/kg。从铸锭上另取金相试样，磨抛后采用Kroll试剂腐蚀，随后采用光学显微镜观察组织，见附图1。

实施例2

本实施例中，具体的合金配比为Fe：16.47wt.%；Al：2.07wt.%；Cr：3.10wt.%；Si：3.07wt.%；余量为Ti及不可避免的C、N、O、H等杂质（杂质总量控制在0.3wt.%以内）。

将按比例配制好的29.387g高纯原料依熔点由低到高的顺序放置于真空电弧炉内的熔炼池中，将炉腔抽为5×10^-3Pa高真空后充入0.5 MPa的高纯氩气。反复翻转熔炼4次后得到成分均匀的Ti-16.47Fe-2.07Al-3.10Cr-3.07Si (wt.%) 合金铸锭。

从铸锭上取下Φ3mm×3mm的圆柱试样，试样外表面打磨抛光后进行室温压缩性能测试，工程应变率2×10^-3 s^-1。测得合金压缩屈服强度为1815 MPa，压缩塑性断裂应变为8.7%。依照混合定律算得合金密度为5.02g/cm³，故该合金比强度达到约361 kN·m/kg。从铸锭上另取金相试样，磨抛后采用Kroll试剂腐蚀，随后采用光学显微镜观察组织，见附图2。

实施例3

本实施例中，具体的合金配比为Fe：18.00wt.%；Al：2.92wt.%；Cr：3.81wt.%；Si：3.83wt.%；余量为Ti及不可避免的C、N、O、H等杂质（杂质总量控制在0.3wt.%以内）。

将按比例配制好的29.822g高纯原料依熔点由低到高的顺序放置于真空电弧炉内的熔炼池中，将炉腔抽为5×10^-3Pa高真空后充入0.5 MPa的高纯氩气。反复翻转熔炼4次后得到成分均匀的Ti-18.00Fe-2.92Al-3.81Cr-3.83Si (wt.%)合金铸锭。

从铸锭上取下Φ3mm×3mm的圆柱试样，试样外表面打磨抛光后进行室温压缩性能测试，工程应变率2×10^-3 s^-1。测得合金压缩屈服强度为2035 MPa，压缩塑性断裂应变为2.5%。依照混合定律算得合金密度为5.06g/cm³，故该合金比强度达到约402 kN·m/kg。从铸锭上另取金相试样，磨抛后采用Kroll试剂腐蚀，随后采用光学显微镜观察组织，见附图3。

Claims

1.一种低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金，其特征在于：该合金各组分的质量百分比为：Fe：15-18%；Al：1-3%；Cr：2-4%；Si：1.5-4%；余量为Ti及不可避免的C、N、O、H杂质，杂质总量控制在0.3wt.%以内；

按照每锭28~32g的重量将配制好的高纯原料依熔点由低到高的顺序放置于真空电弧炉内的熔炼池中，将炉腔抽为5×10^-3Pa高真空后充入0.5 MPa的高纯氩气；反复翻转熔炼4-5次后得到成分均匀的合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金，其特征在于：所述钛合金中的Ti为工业纯钛，纯净度99.90%；Fe、Al、Cr、Si均为工业单质，纯净度分别为99.95%、99.90%、99.10%、99.33%。

3.一种权利要求1或2所述的低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（4）利用线切割从合金铸锭上取下Φ3mm×3mm的圆柱试样。

4.根据权利要求3所述的低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，各元素在称量之前，将其分别放入装有体积百分比50%酒精+50%水的混合液体中进行超声振动，以去除表面杂质及油污，超声完毕后用镊子夹出并吹干，等待称量。

5.根据权利要求3所述的低成本超高强Ti-Fe-Al-Cr-Si系钛合金的制备方法，其特征在于：制得的钛合金，室温压缩屈服强度达到1570 MPa以上，比强度达到320 kN·m/kg以上。