CN110016588A

CN110016588A - 一种抗拉强度大于1300MPa的亚稳β钛合金

Info

Publication number: CN110016588A
Application number: CN201910398254.6A
Authority: CN
Inventors: 寇宏超; 王晓丹; 王毅; 孙智刚; 唐斌; 高文强; 樊江昆; 李金山
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2019-07-16

Abstract

一种抗拉强度大于1300MPa的亚稳β钛合金，包括Ti、Mo、Al、Cr、Nb、O，或者Fe。所述组份中采用的原材料为0级海绵钛颗粒、电解铬粉末、铝豆颗粒、铝箔、氧化钛粉末、AlNb70中间合金颗粒和AlMo80中间合金颗粒，或者TiFe中间合金颗粒。所述合金中的钼当量[Mo]eq为12～16，铝当量[Al]eq为4.5～7.2。本发明的强塑性匹配良好，不存在“β斑”熔炼缺陷，同时具有低成本优势的亚稳β钛合金，解决了现有技术中存在的高成本和“β斑”熔炼缺陷的问题，提高合金的强度，同时保证低成本的优势，能够应用于生产棒、丝、线材等各种锻件以及制造高强紧固件等，具有广泛的应用前景。

Description

一种抗拉强度大于1300MPa的亚稳β钛合金

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种抗拉强度大于1300MPa的亚稳β钛合金。

背景技术

钛合金因具有比强度高、耐高温、耐腐蚀、可焊、无磁、生物相容性好等优异的综合性能，在航空、航天飞行器等国防领域得到广泛应用。钛合金的应用水平已成为衡量现代航空航天飞行器选材先进程度和综合性能的重要标志。

目前，国内外的高强钛合金基本均为亚稳β型钛合金。亚稳β钛合金是淬火至室温后能够全部保留β相而不发生马氏体转变的一类合金，其钼当量[Mo]eq介于12～25之间，[Al]eq介于5-8之间。当前在航空飞行器上获得实际应用的亚稳β型钛合金主要有Ti-1023，BT22，β-21S，β-C等。其中Ti-1023合金是典型的应用最为广泛的一种亚稳β型钛合金，是由美国Timet公司、Boeing公司、Wyman Gordon公司于1971年共同研制开发的，具有高强度、高断裂韧性、良好的淬透性和抗裂纹扩展性能。但由于该合金含有2％Fe元素，在熔炼时易形成冶金偏析而产生“β斑”。在20世纪70年代，前苏联成功研制了一种亚稳β钛合金——BT22合金，相比于Ti-1023，该合金Fe和V元素含量减少，Mo和Cr元素含量增多，具有强度高、韧性高、塑性好以及焊接性能优良等特点。这些合金作为航空锻件应用时，一般用于1000MPa～1200MPa的强度水平，但是如果想进一步的提高强度将会使这些合金的塑性、韧性等性能明显恶化。

在公开号为CN105803262A的发明创造中，西北有色金属研究院研发的一种含钨的高强钛合金，由以下质量百分比的成分组成：Al 4％～5.5％，Cr 3％～5％，Mo 2％～4％，W2％～4.5％，Fe 0.2％～0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质，该合金通过在Ti-Al-Mo-Cr合金体系中添加适量的元素W，其经退火后的抗拉强度为860MPa～1500MPa，且获得了强度、塑性、韧性的良好匹配。但是在该发明合金的强度可调范围较宽，不易控制，而且合金中添加了难熔的W元素，在熔炼过程中易引起成分偏析，从而影响合金成分和组织的均匀性。

在公开号为CN102212715A的发明创造中，中国航空工业集团公司北京航空材料研究院研发的一种高强钛合金，该合金降低了价格昂贵的V元素和熔点较高的Mo元素含量，用价格便宜的β稳定元素铬和铁部分代替了V和Mo的β稳定化作用，同时用价格便宜的中性元素Zr和Sn弥补由于V和Mo含量减小而引起的合金强度损失。该发明既维持了钛合金良好的力学性能，又不易引起成分偏析，同时降低了合金的生产成本。缺点是该合金的强度水平在1100MPa左右，而且该合金中的Fe含量高达2％，熔炼过程中易产生“β斑”缺陷，降低合金的耐蚀性和组织性能稳定性。

发明内容

本发明针对目前一些亚稳β钛合金强塑性不匹配，高成本和“β斑”熔炼缺陷的问题，本发明提供了一种抗拉强度大于1300MPa的亚稳β钛合金。

本发明包括6.6～7.2％的Mo、3.0～5.1％的Al、2.6％～4.1％的Cr、2.7％～3.1％的Nb、0.17～0.25％的O，或者0～0.5％的Fe，余量为Ti和杂质，其中杂质的质量百分比分别为：C≤0.1％，H≤0.01％，N≤0.02％。

所述组份中采用的原材料为：0级海绵钛颗粒、电解铬粉末、铝豆颗粒、铝箔、氧化钛粉末、AlNb70中间合金颗粒和AlMo80中间合金颗粒，或者TiFe中间合金颗粒。

所述合金中的钼当量[Mo]eq为12～16，铝当量[Al]eq为4.5～7.2。

所述[Mo]eq的计算公式为[Mo]eq＝％Mo+％Nb/3.3+％Cr/0.6+％Fe/0.5；

所述[Al]eq的计算公式为[A1]eq＝％Al+10*％O；

所述的百分比为各组份的质量百分比。

本发明的强塑性匹配良好，不存在“β斑”熔炼缺陷，同时具有低成本优势的亚稳β钛合金，解决了现有技术中存在的高成本和“β斑”熔炼缺陷的问题。

为了实现以上目的，本发明合金的成分设计以北京航空材料研究院和西北工业大学共同研发的Ti-7Mo-3Nb-3Cr-3Al合金为基础，在成分设计过程中添加了微量的低成本元素Fe、O，同时适当的调整了其余Mo、Al、Cr、Nb元素的含量。

其中Al元素是典型的α稳定元素，加入钛合金中起到两个方面的作用，一方面是Al元素起固溶强化的作用，在热处理过程中可以促进α相的析出并增强时效强化效应；另一方面Al的存在可以使Mo、V等高熔点的β元素以Mo-Al、V-Al中间合金的形式加入，既减小了熔炼时高密度夹杂的可能性，又降低了合金的成本。

Mo、Nb、Cr元素是β稳定元素，其中Mo元素可提高强度，耐热性和耐腐蚀性，同时也可以改善合金的加工性能，但其含量过高对钛合金的塑性、抗氧化性能和可焊性不利；Nb元素可以提高塑性、耐蚀性和抗氧化性，降低氢脆敏感性；Cr元素可以改善加工性能，提高淬透性。本发明的合金是亚稳β钛合金，故钼当量在10左右为宜，所以在控制合金中Mo、Nb、Cr元素的含量使得钼当量在10左右。

Fe元素是最强的β稳定化元素之一，可显著提高合金的淬透性，每添加1％Fe，α/β相变点下降约18℃，可显著提高淬透性；而且Fe便宜，是设计低成本高性能新型钛合金的首选材料之一，但钛合金中Fe含量过高会析出金属间化合物，大幅度降低合金的塑韧性，而且容易形成“β斑”等冶金缺陷，降低合金的耐蚀性。美国的Ti-1023合金是典型的应用最为广泛的一种亚稳β型钛合金，但是其存在的缺陷就是由于含有2％Fe元素，在熔炼时易形成冶金偏析而产生“β斑”，导致合金在部分领域的应用受到限制。因此，Fe元素的含量应控制在2％以下。

O元素是α稳定元素，属于间隙型元素，可以起到固溶强化的效果。当氧含量控制在一定范围内时，随着氧元素的增加钛合金的相变点显著提高，但是当氧含量继续增加超过5at.％(约2wt.％)时，合金中会产生多种TixOy化合物，氧原子开始呈有序化分布，会导致合金塑性显著降低。另外，适量的O元素还可以改善合金的断裂韧性，是设计低成本高性能新型钛合金的首选材料之一。

本发明钛合金的制备过程是：按照成分设计要求进行配料，原材料采用、0级海绵钛颗粒、电解铬粉末、铝豆颗粒、铝箔、氧化钛粉末、AlNb70中间合金颗粒和AlMo80中间合金颗粒为原料，按照配比配料，随后采用旋转式混料机进行混料后压制电极，在真空自耗电弧熔炼炉上进行三次熔炼获得铸锭，铸锭经扒皮、超声波检测、切冒口和底垫、扒除表面氧化皮得到光锭。随后进行开坯锻造，采用了反复镦拔的锻造工艺，每次镦拔的总变形量均≧40％，最终得到组织均匀、晶粒细小、无明显锻造缺陷的锻坯。开坯锻造加热温度为T_β+200℃～300℃，随后反复镦拔的加热温度为T_β+20℃～40℃或T_β-20℃～40℃，最后采用固溶时效处理，固溶温度为T_β-30℃，保温30min水淬冷却，时效温度为T_β-300℃，保温6h，空冷。该合金热处理后获得的力学性能为：室温条件下的抗拉强度≥1300MPa，屈服强度≥1200Ma，延伸率≥8％，断面收缩率≥20％。所述室温是指温度为10℃～35℃。

与现有亚稳β型钛合金相比，本发明具有以下优点：

1.本发明合金中适当添加微量低成本元素Fe、O，其中O：0.17～0.25％或Fe：0～0.5％，使该合金具有低成本的优势。而且相比于同类型亚稳β钛合金，本发明合金中Fe元素的添加严格控制在质量百分数0.5％左右。Fe元素含量的控制使本发明合金有效的避免了Ti-1032等合金存在的熔炼过程中出现的“β斑”熔炼缺陷这一问题，同时Fe元素作为最强的β稳定化元素之一，显著地提高了合金的淬透性。另外，对于大多数的亚稳β钛合金，O元素一般都作为杂质元素，在熔炼过程中O元素的含量被严格控制。而本发明合金将适量的O元素作为主要组元，充分发挥O元素的固溶强化作用，提高合金的强度，同时保证低成本的优势。

2.本发明钛合金的Ti元素含量控制在80.4％～84.6％，基本上仍然保留着钛基高比强度，高抗氧化性等的优异性能。本发明合金具有优良的强度和塑性匹配，其在室温条件下的抗拉强度≥1300MPa，屈服强度≥1200Ma，延伸率≥8％，断面收缩率≥20％。所述室温是指温度为10℃～35℃。能够应用于生产棒、丝、线材等各种锻件以及制造高强紧固件等，具有广泛的应用前景。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种亚稳β钛合金，该合金中的钼当量[Mo]eq为12～16，铝当量[Al]eq为4.5～7.2。

[Mo]eq的计算公式为：

[Mo]eq＝％Mo+％Nb/3.3+％Cr/0.6+％Fe/0.5；

[Al]eq的计算公式为：

[A1]eq＝％Al+10*％O；

式中％表示各元素的质量百分比。

本实施例的组份包括84.61％的Ti、6.8％的Mo、3.0％的Al、2.6％的Cr、2.8％的Nb和0.17％的O，余量为杂质。所述杂质中，包括0.01％的C，≤0.01％的H和≤0.01％的N；所述的百分比为质量百分比。

通过[Mo]eq的计算公式确定本实施例中，钼当量[Mo]eq为12.0。

通过[Al]eq的计算公式确定本实施例中，铝当量[Al]eq为4.7。

所述的组份中采用的原材料为：0级海绵钛颗粒、电解铬粉末、铝豆颗粒、铝箔、氧化钛粉末、AlNb70中间合金颗粒和AlMo80中间合金颗粒。

采用常规的钛合金熔炼方法制备所述亚稳β钛合金，具体是：经三次真空自耗电弧炉熔炼获得铸锭。铸锭经扒皮、超声波检测、切冒口和底垫、扒除表面氧化皮得到光锭。在1070℃和950℃两个温度下进行两个火次的开坯锻造，然后在870℃～890℃和810℃～830℃两个温度段内进行反复镦拔，这两个温度段分别对应该合金的β单相区和α+β两相区。最终获得组织均匀、晶粒细小、无明显锻造缺陷的锻坯。锻坯经830℃/50min/WC+550℃/6h/AC热处理后，沿最后一火次锻造方向的室温力学性能实测值为：抗拉强度1400MPa，屈服强度1330MPa，延伸率8.5％，断面收缩率22.5％，所述室温是指温度为21℃。

实施例2

本实施例是一种亚稳β钛合金，该合金中的钼当量[Mo]eq为14.9，铝当量[Al]eq为7.2。

所述[Mo]eq的计算公式为：

[Mo]eq＝％Mo+％Nb/3.3+％Cr/0.6+％Fe/0.5；

所述[Al]eq的计算公式为：

[A1]eq＝％Al+10*％O；

式中％表示各元素的质量百分比。

本实施例的组份包括80.57％的Ti、7.2％的Mo、5.1％的Al、3.5％的Cr、2.9％的Nb、0.5％的Fe和0.21％的O，余量为杂质。所述杂质中，包括≤0.01％的C，≤0.01％的H和≤0.01％的N；所述的百分比为质量百分比。

所述的组份中采用的原材料为：0级海绵钛颗粒、电解铬粉末、铝豆颗粒、铝箔、氧化钛粉末、TiFe中间合金颗粒、AlNb70中间合金颗粒和AlMo80中间合金颗粒。

采用常规的钛合金熔炼方法制备所述亚稳β钛合金，具体是：经三次真空自耗电弧炉熔炼获得铸锭。铸锭经扒皮、超声波检测、切冒口和底垫、扒除表面氧化皮得到光锭。在1070℃和950℃两个温度下进行两个火次的开坯锻造，然后在880℃～900℃和820℃～840℃两个温度段内进行反复镦拔，这两个温度段分别对应该合金的β单相区和α+β两相区。最终获得组织均匀、晶粒细小、无明显锻造缺陷的锻坯。锻坯经840℃/50min/WC+560℃/6h/AC热处理后，沿最后一火次锻造方向的室温力学性能实测值为：抗拉强度1360MPa，屈服强度1250MPa，延伸率11.5％，断面收缩率44.5％，所述室温是指温度为22℃。

实施例3

本实施例是一种亚稳β钛合金，该合金中的钼当量[Mo]eq为13.9，铝当量[Al]eq为6.7。

所述[Mo]eq的计算公式为：

[Mo]eq＝％Mo+％Nb/3.3+％Cr/0.6+％Fe/0.5；

所述[Al]eq的计算公式为：

[A1]eq＝％Al+10*％O；

式中％表示各元素的质量百分比。

本实施例的组份包括82.32％的Ti、6.6％的Mo、4.2％的Al、3.9％的Cr、2.7％的Nb和0.25％的O，余量为杂质。所述杂质中，包括0.01％的C，≤0.01％的H和0.015％的N；所述的百分比为质量百分比。

采用常规的钛合金熔炼方法制备所述亚稳β钛合金，具体是：经三次真空自耗电弧炉熔炼获得铸锭。铸锭经扒皮、超声波检测、切冒口和底垫、扒除表面氧化皮得到光锭。在1070℃和950℃两个温度下进行两个火次的开坯锻造，然后在870℃～890℃和810℃～830℃两个温度段内进行反复镦拔，最终获得组织均匀、晶粒细小、无明显锻造缺陷的锻坯。锻坯经830℃/50min/WC+550℃/6h/AC热处理后，沿最后一火次锻造方向的室温力学性能实测值为：抗拉强度1320MPa，屈服强度1280MPa，延伸率12.0％，断面收缩率46.5％，所述室温是指温度为20℃。

实施例4

本实施例是一种亚稳β钛合金，该合金中的钼当量[Mo]eq为15.6，铝当量[Al]eq为7.1。

所述[Mo]eq的计算公式为：

[Mo]eq＝％Mo+％Nb/3.3+％Cr/0.6+％Fe/0.5；

所述[Al]eq的计算公式为：

[A1]eq＝％Al+10*％O；

式中％表示各元素的质量百分比。

本实施例的组份包括80.35％的Ti、6.8％的Mo、4.9％的Al、4.1％的Cr、3.1％的Nb、0.5％Fe的和0.22％的O，余量为杂质。所述杂质中，包括0.015％的C，≤0.01％的H和≤0.01％的N；所述的百分比为质量百分比。

采用常规的钛合金熔炼方法制备所述亚稳β钛合金，具体是：经三次真空自耗电弧炉熔炼获得铸锭。铸锭经扒皮、超声波检测、切冒口和底垫、扒除表面氧化皮得到光锭。在1070℃和950℃两个温度下进行两个火次的开坯锻造，然后在880℃～900℃和820℃～840℃两个温度段内进行反复镦拔，最终获得组织均匀、晶粒细小、无明显锻造缺陷的锻坯。锻坯经840℃/50min/WC+560℃/6h/AC热处理后，沿最后一火次锻造方向的室温力学性能实测值为：抗拉强度1460MPa，屈服强度1400MPa，延伸率4.0％，断面收缩率29.5％，所述室温是指温度为24℃。

Claims

1.一种抗拉强度大于1300MPa的亚稳β钛合金，其特征在于，包括6.6～7.2％的Mo、3.0～5.1％的Al、2.6％～4.1％的Cr、2.7％～3.1％的Nb、0.17～0.25％的O，或者0～0.5％的Fe，余量为Ti和杂质，其中杂质的质量百分比分别为：C≤0.1％，H≤0.01％，N≤0.02％。

2.如权利要求1所述抗拉强度大于1300MPa的亚稳β钛合金，其特征在于，所述的组份中采用的原材料为：0级海绵钛颗粒、电解铬粉末、铝豆颗粒、铝箔、氧化钛粉末、AlNb70中间合金颗粒和AlMo80中间合金颗粒，或者TiFe中间合金颗粒。

3.如权利要求1所述抗拉强度大于1300MPa的亚稳β钛合金，其特征在于，所述合金中的钼当量[Mo]eq为12～16，铝当量[Al]eq为4.5～7.2。

4.如权利要求3所述抗拉强度大于1300MPa的亚稳β钛合金，其特征在于，所述[Mo]eq的计算公式为[Mo]eq＝％Mo+％Nb/3.3+％Cr/0.6+％Fe/0.5；

所述[Al]eq的计算公式为[A1]eq＝％Al+10*％O；

所述的百分比为各组份的质量百分比。