CN110172612A

CN110172612A - 一种高强耐腐蚀钛锆基合金及其制备方法

Info

Publication number: CN110172612A
Application number: CN201910387476.8A
Authority: CN
Inventors: 夏超群; 杨志道; 李强; 杨泰; 朱德民; 宋莱昂; 宋光明; 王鹏
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2019-08-27

Abstract

本发明为一种高强耐腐蚀钛锆基合金。该合金组分原子百分比为Ti：74.6～75％，Y：0.1～0.4％，余量为Zr及不可避免的杂质元素；所述耐腐蚀钛锆合金铸态的微观组织均为针状α相。所述的制备方法为：按照所述的配比，将纯度为99.5％的海绵钛、纯度为99.9％海绵锆、纯度为99.99％的钇放入非自耗真空电弧炉中，在高纯氩气保护下熔炼合金原料，得到总质量为25g的高强耐腐蚀钛锆合金。本发明提供的钛锆合金拥有良好力学性能，同时在氯化物环境也具有良好的耐腐蚀性。

Description

一种高强耐腐蚀钛锆基合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金技术领域，特别涉及一种高强耐腐蚀钛锆基合金及其制备方法。

背景技术

钛在地壳中的存量十分丰富，约占地壳总重量的0.42％，钛矿分布范围十分广泛，随着工业冶炼技术的提高，关于钛矿石冶炼技术越来越成熟，提炼成本也日益降低。钛及钛合金得到巨大的发展并广泛应用与诸多领域。

Ti合金是一种高比强度、高比韧性的新型结构材料，具有耐蚀性强、密度低、生物相容性好、耐高低温及可加工性好等优良的综合特点，已广泛应用于军事、汽车、核武、化学、冶金、石油、船舶、航空航天等诸多易腐蚀领域。

随着现代工业的迅猛发展，材料因在高温、高压、高辐照、高浓度酸、碱、盐等极端特殊腐蚀环境服役失效的情况愈演愈烈，从而人们对合金的力学性能及抗腐蚀性能提出了更为苛刻的要求，要求合金在保持一定强度的前提下拥有良好的耐蚀性，而传统Ti合金在强度、抗腐蚀性能方面已经很难达到当下在工程应用的标准，例如，Ti-6Al-4V是全球范围内应用最为广泛的钛合金，其在还原性酸溶液中的耐蚀性相对较差。因此，有必要继续研究具有高强度和良好的耐蚀性的新型钛基钛锆系合金。

发明内容

本发明的目的在于针对当前技术中存在的不足，提供一种高强耐腐蚀钛锆基合金及其制备方法。该合金在具有良好力学性能的Ti-25Zr合金基础之上，通过添加稀土元素Y而得。制备方法中，在适宜的熔炼氛围和熔炼温度下，利用合金化手段从而制备出综合性能优异的钛锆基合金。本发明提供的钛锆合金拥有良好力学性能，同时在氯化物环境也具有良好的耐腐蚀性。

本发明的技术方案为：

一种高强耐腐蚀钛锆基合金，该合金组分原子百分比为Ti：74.5～75％，Y：0.1～0.5％，余量为Zr及不可避免的杂质元素。

所述的高强耐腐蚀钛锆合金的制备方法：

按照所述的配比，将海绵钛、海绵锆、纯钇放入非自耗真空电弧炉熔炼，在高纯氩气保护下熔炼合金原料，得到高强耐腐蚀钛锆合金；

所述真空电弧熔炼的温度为2200～2600℃，熔炼次数在4～6次，每次熔炼时间为3～4min。

所述的海绵钛的纯度为99.5％、海绵锆的纯度为99.9％、钇的纯度为99.99％。

所述的高纯氩气的纯度为99％。

本发明的有益效果为：

本发明严格控制各元素的含量，通过合金化手段提升合金耐腐蚀性和强度，在本发明中，Zr元素在腐蚀介质中形成的氧化物能有效改善合金的钝化膜的结构性能。同时，由于Zr作为钝化金属相对于Ti的致钝电位更负，钝化能力更强，即使在弱氧化条件环境中依然可以发生钝化，更易在合金表面生成钝化膜，故其在大多数酸、碱、盐的介质中均有优异的耐蚀能力，能显著提高Ti合金的耐腐蚀性能。并且，微量元素Y可以增加氧化膜的稳定性，降低Ti合金的点蚀倾向，提高Ti合金在氯化物溶液中的耐腐蚀性能，进而显示优异的耐腐蚀性。实验结果表明，本发明中，适量的Y使其抗腐蚀性能更加优异，与相同处理工艺获得的对比合金相比较，合金压缩强度提升幅度达9.9％，塑性提升幅度可达14.2％，在1.37M HCl溶液中的抗腐蚀能力提升幅度达28％。

附图说明

图1为实施例1制得的Ti合金的金相光学显微图。

图2为实施例2制得的Ti合金的金相光学显微图。

图3为实施例3制得的Ti合金的金相光学显微图。

图4为对比例1制得的Ti合金的金相光学显微图。

图5为实施例1浸泡失重10天后的SEM图。

图6为实施例2浸泡失重10天后的SEM图。

图7为实施例3浸泡失重10天后的SEM图。

图8为对比例1浸泡失重10天后的SEM图。

具体实施方式

本发明提供了一种全α型耐腐蚀钛锆合金，按原子百分比，包括Ti：74～75％，Y：0.1～1％，余量为Zr。

本发明提供的全α型耐腐蚀钛锆合金，按原子百分比，包括Y：0.1～1％，优选为0.1～0.4％。在本发明中，微量元素Y降低钛锆合金的点蚀倾向，提高Ti合金在氯化物溶液中的耐腐蚀性能，进而显示优异的耐腐蚀性。

本发明将合金原料熔炼后，得到铸态高强耐腐蚀钛锆合金坯。本发明对所述合金原料的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的钛锆合金熔炼的合金原料以能得到目标组分的合金为准。在本发明中，所述合金原料优选纯度为99.5％的海绵钛、纯度为99.9％海绵锆、纯度为99.99％的钇。

在熔炼前，合金原料需去除原料表面的氧化皮并进行超声清洗，本发明对所述超声清洗的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。优先采为真空非自耗真空电弧炉熔炼合金原料，所述熔炼的时间优选为3～5min，更优选为4min。电弧熔炼的真空度优选为0.05MPa，合金熔炼在纯度为99％的高纯氩气保护条件下进行。当采用非自耗真空电弧熔炼时，将炉腔内真空度抽至3.0×10^-3，再通入氩气气体。在氩气保护下进行熔炼能够避免Ti与Zr在高温的情况下大量吸氢吸氧吸氮，发生氧化，还能为电弧熔炼提供电离气体。合金熔体在电磁搅拌的条件下熔炼5次。具体的：将金属原料在电弧熔炼炉中进行熔炼，得到合金溶液随后冷却得到铸坯，再翻转铸坯后进行熔炼，再次得到合金溶液，再次冷却得到铸坯，以此反复5次以上，得到成分均匀的铸态合金锭。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的耐腐蚀Ti合金及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

按合金成分Ti₇₄.9Zr₂₅Y₀.1(原子百分比)用精密天平配料，称取纯度为99.5％的海绵钛、纯度为99.9％海绵锆、纯度为99.99％的钇，总质量为25g；将原料浸于无水乙醇中，超声波清洗5min后，用吹风机吹干，将原料置入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜柑锅中，炉腔内的真空度要抽到3.0×10^-3，电弧熔炼前充入纯度为99％的高纯氩气至0.05Mpa作为保护气后，每次熔炼时电弧温度大约为2400℃，每次熔炼时间约为4min.。具体的：将金属原料在真空电弧熔炼炉中进行熔炼，得到熔炼液，随炉冷却得到铸锭,再翻转铸锭后进行熔炼，以此反复5次以上，确保得到的铸态坯成分均匀。炉温降至室温后取料，得到铸态的高强耐腐蚀钛锆合金。

实施例2

按照实施例1的方式制备合金组成为Ti₇₄.8Zr₂₅Y₀.2合金。

实施例3

按照实施例1的方式制备合金组成为Ti₇₄.6Zr₂₅Y₀.4合金。

对比例1

按照实施例1的方式制备合金组成为Ti₇₅Zr₂₅合金。

分别对实施例1～3和对比例1得到的钛锆合金进行金相组织观察，结果分别如图1～4所示。

由图1～4可知，本发明实施例1～3与对比例1所得钛锆合金均为针状α相组织。

与对比试样1的金相图4相比，本发明实施例1得到的钛锆合金的金相组织明显得到细化。

如图2所示，相比对比例1的合金金相组织结构，该实施例2得到的钛锆合金金相组织明显变化针状α相更加细小，这也就意味着材料的金相组织更加细小，材料的力学性能也相应提高。

与实施例2的金相图相比，实施例3得到的钛锆合金的晶粒明显减小，在单位面积内可以观察到更多的晶粒，随着晶粒尺寸的减小，材料的力学性能也相应提高。

分别对实施例1～3和对比例1得到的钛锆合金进行静态浸泡失重实验，结果分别如图5～8所示。

与对比例1的失重SEM图相比较，图5～8的点蚀坑的数量明显减少。尤其实施例2所得到的合金，其表面光滑，无明显点蚀现象发生，材料的腐蚀性能得到提升。

用线切割分别将实施例1～3和对比例制得的钛锆合金分别切出直径为4mm高为8mm的圆柱形试样，去除试样表面的氧化皮，每组成分进行3次压缩试验，由此获得其力学性能相关数据，测试结果如表1所示。

表1实施例1～3和对比例得到的钛锆合金的力学性能测试

由表1可知，本发明得到的钛锆合金的压缩强度、塑性均得到了极大的改善，相比对比合金压缩强度提升幅度达9.9％，塑性提升幅度可达14.2％。

同时分别将实施例1～3和对比例制得的钛锆合金用线切割切出尺寸为10mm×10mm×5mm的耐腐蚀试验试样，每种钛锆合金锭切出3个试样，为了确保实验的可重复性。将每个试样的六个面按照标准金相程序用砂纸从150目打磨4000目后进行机械抛光，然后用无水乙醇清洗合金表面，并用冷风吹干其表面。在实验开始前，在天平上测量试样的原始质量，每个试样称量三次，取平均值以保证其准确性，并作好相应记录。以一为依据，在浓度为1.37M的HCl溶液中浸泡10天，每2天换一次新溶液，并将试样分别在去离子水和在酒精中用超声波清洗，用天平称重，记录重量的变化，腐蚀10天后，失重数据如表所示。由此获得该种材料的腐蚀方面的性能数据。

表2实施例1～3和对比例得到的钛锆合金的耐腐蚀试验测试结果

项目	失重(g/m2)	提升幅度	来源
				实例1	1.8	28％	实测
实例2	2.2	12％	实测
				实例3	2.4	7％	实测
对比例1	2.5	--	实测

由表2可知，本发明中，添加适量的Y可以使其抗腐蚀性能更加优异，与相同处理工艺获得的对比合金(Ti₇₅Zr₂₅)相比较，在1.37M HCl溶液中的抗腐蚀能力提升幅度可达28％。

由以上实施例1～3可以看出，本发明通过控制各元素的含量，无需进行热变形处理，Ti合金强度和耐腐蚀性能均得到大幅度提升。

以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims

1.一种高强耐腐蚀钛锆基合金，其特征为该合金组分原子百分比为Ti：74.6～75％，Y：0.1～0.4％，余量为Zr及不可避免的杂质元素。

2.如权利要求1所述的高强耐腐蚀钛锆合金的制备方法，其特征为包括以下步骤：

3.如权利要求1所述的高强耐腐蚀钛锆合金的制备方法，其特征为所述的海绵钛的纯度为99.5％、海绵锆的纯度为99.9％、钇的纯度为99.99％。

4.如权利要求1所述的高强耐腐蚀钛锆合金的制备方法，其特征为所述的高纯氩气的纯度为99％。