CN110184499A - 一种提高tc4钛合金强度水平的微合金化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法，该方法包括：一、将0级海绵钛、Al‑V中间合金、Ti‑Fe中间合金、铝豆、TiO2粉末、B粉末混合压制成电极后进行真空自耗电弧熔炼得TC4钛合金铸锭；二、将TC4钛合金铸锭依次进行单相区开坯和两相区锻造得锻态TC4钛合金坯料；三、将锻态TC4钛合金坯料进行热处理得TC4钛合金。本发明控制TC4钛合金中O和Fe的质量百分数，同时添加B，利用B在TC4钛合金熔体中的低溶解度降低了固‑液界面处的熔点，使B固溶在TC4钛合金基体中，从根本上细化了TC4钛合金铸锭晶粒，在保证TC4钛合金塑性不降低的条件下显著提高了TC4钛合金的强度。

Description

一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法。
背景技术
钛合金因具有密度低、强度高、耐腐蚀等优异性能而广泛应用于航空、航天、舰船、兵器等领域。随着钛合金应用范围的不断扩大及钛合金制备技术的提高，对钛合金性能指标的要求越来越苛刻，按钛合金应用的不同工况研制出了高温钛合金、高强钛合金、耐蚀钛合金等不同特性的钛合金种类，然而这些钛合金往往着眼于突出钛合金的某一性能指标，而钛合金的综合性能及稳定性较差，因此对于一些航空关键零部件的选材，设计人员还是优选使用成熟度较高的合金，对于这些传统成熟牌号钛合金的性能挖掘提升也成为重要的研究方向。TC4合金是一种两相钛合金，因其具有良好的综合性能成为目前国内外使用量最大、应用成熟度最高的钛合金。
标准TC4钛合金的强度水平不高，为此国内外也开展了大量的研究工作，较为普遍的做法是提高合金中O元素含量来提高合金强度，另外是通过形变热处理的方法来调控合金微观组织形貌来提高合金强度水平。然而，O元素的添加不利于合金的塑韧性，其添加量非常有限，而通过调控组织来调整合金性能的方法也是有限的。合金化是提高合金性能水平的最根本方法。授权公告号CN107760925B的专利中采用提高Ti-6Al-4V钛合金即TC4钛合金中O含量与变形过程控制相结合的方法以达到从钛合金成分及微观组织同时调控钛合金强度的目的。该方法对钛合金强度提高的幅度有限，且需要在合金成分和后续制备过程中同时进行控制，流程长，工序复杂，需要控制的因素较多，包括锻造工艺、热处理工艺的控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法。该方法控制TC4钛合金中O和Fe的质量百分数，同时添加质量百分数为0.05％～0.12％的B，利用B在TC4钛合金熔体中的低溶解度降低了固-液界面处的熔点，促进了形核过程并增加了形核率，使B固溶在TC4钛合金基体中，从根本上细化了TC4钛合金铸锭晶粒，在保证TC4钛合金塑性不降低的条件下显著提高了TC4钛合金的强度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Ti-Fe中间合金、铝豆、TiO2粉末、B粉末混合压制成电极，然后进行真空自耗电弧熔炼，得到TC4钛合金铸锭；所述TC4钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.0％～6.4％，V 4.0％～4.3％，Fe 0.20％～0.28％，O0.15％～0.20％，B 0.05％～0.12％、C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；
步骤二、将步骤一中得到的TC4钛合金铸锭依次在相变点以上100℃～150℃进行单相区开坯和在相变点以下30℃～50℃进行两相区锻造，得到锻态TC4钛合金坯料；
步骤三、将步骤二中得到的锻态TC4钛合金坯料进行热处理，得到TC4钛合金；所述TC4钛合金的抗拉强度Rm＞1060MPa，屈服强度RP0.2＞1000MPa，延伸率A＞10％。
O作为间隙型合金化元素，可显著提高合金的强度水平，但同时会对合金的塑性产生不利影响，Fe为慢共析β稳定元素，对β相强化作用明显，但过多的Fe会导致共析反应。本发明采用微合金化方法，控制TC4钛合金中O的质量百分数为0.15％～0.20％，Fe的质量百分数为0.20％～0.28％，即O和Fe的含量均取标准(GB3620.1-2007钛及钛合金牌号和化学成分国家标准)规定的上限范围，在提高TC4钛合金强度的同时减少对其塑性的不利影响，避免了共析反应，增强了Fe的固溶强化作用，在此基础上添加质量百分数为0.05％～0.12％的B，由于B在TC4钛合金熔体中的溶解度非常低，凝固期间B原子析出并富集在固-液界面处，导致此处的成分过冷增加，从而此处合金的熔点降低，而固-液界面处合金熔点的降低促进了形核过程，增加了形核率，B固溶在TC4钛合金基体中，从根本上细化了TC4钛合金铸锭晶粒，在保证TC4钛合金塑性不降低的条件下显著提高了TC4钛合金的强度。
上述的一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法，其特征在于，步骤一中所述0级海绵钛的粒度为0.83mm～12.7mm。采用上述小颗粒的0级海绵钛，使海绵钛更易与其它合金元素混合均匀，避免TC4钛合金铸锭中形成局部偏析，有利于提高TC4钛合金的强度。
上述的一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法，其特征在于，步骤一中所述TC4钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.0％～6.4％，V 4.0％～4.3％，Fe0.20％～0.28％，O 0.15％～0.20％，B 0.08％～0.10％、C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti。
上述的一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法，其特征在于，步骤三中所述热处理的制度为：在800℃保温1h后空冷。上述热处理制度简单高效，有利于提高本发明方法的效率。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用微合金化方法，控制TC4钛合金中O的质量百分数为0.15％～0.20％、Fe的质量百分数为0.20％～0.28％，同时添加质量百分数为0.05％～0.12％的B，利用B在TC4钛合金熔体中的低溶解度降低了固-液界面处的熔点，促进了形核过程并增加了形核率，使B固溶在TC4钛合金基体中，从根本上细化了TC4钛合金铸锭晶粒，在保证TC4钛合金塑性不降低的条件下显著提高了TC4钛合金的强度。
2、本发明在TC4钛合金中添加B细化了TC4钛合金铸锭晶粒，细化后的TC4钛合金铸锭组织变形抗力小，从而改善了TC4钛合金的变形塑性，在同样的变形条件下使TC4钛合金的变形更加充分、均匀，有利于保证TC4钛合金锻坯组织性能的一致性。
3、本发明的方法大大提高了TC4钛合金的强度，且强度与塑性匹配良好，制备得到的TC4钛合金的抗拉强度Rm＞1060MPa，屈服强度RP0.2＞1000MPa，延伸率A＞10％。
4、本发明从合金成分设计上进行优化，通过B元素的添加从根本上行提高了钛合金的固溶强化水平，减少了后续加工方法对TC4钛合金强度水平的影响，工序简单且方法的操作性强。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1a为本发明实施例1得到的TC4钛合金铸锭的微观组织照片。
图1b为本发明实施例1得到的锻态TC4钛合金坯料热处理状态的微观组织照片。
图2a为本发明实施例2得到的TC4钛合金铸锭的微观组织照片。
图2b为本发明实施例2得到的锻态TC4钛合金坯料热处理状态的微观组织照片。
图3a为本发明实施例3得到的TC4钛合金铸锭的微观组织照片。
图3b为本发明实施例3得到的锻态TC4钛合金坯料热处理状态的微观组织照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Ti-Fe中间合金、铝豆、TiO2粉末、B粉末混合压制成电极，然后进行三次真空自耗电弧熔炼，得到TC4钛合金铸锭；所述TC4钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.0％，V 4.0％，Fe 0.20％，O 0.20％，B 0.05％、C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；所述0级海绵钛的粒度为0.83mm～12.7mm；
步骤二、将步骤一中得到的TC4钛合金铸锭依次在相变点以上100℃～150℃进行单相区开坯和在相变点以下30℃～50℃进行两相区锻造，得到锻态TC4钛合金坯料；
步骤三、将步骤二中的得到的锻态TC4钛合金坯料在800℃保温1h进行热处理，空冷后得到TC4钛合金。
经检测，本实施得到的TC4钛合金的室温力学性能如下表1所示。
表1实施例1得到的TC4钛合金的室温力学性能
试样编号 R<sub>P0.2</sub>(MPa) R<sub>m</sub>(MPa) A(％) Z(％)
1 1005 1065 11 42
2 1003 1070 12 38
GJB2218A-2008 825 895 8 15
从表1可知，本实施得到的TC4钛合金的强度和塑性均优于GJB2218A-2008标准《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》对TC4钛合金的要求，且强度与塑性匹配良好。
图1a为本实施例得到的TC4钛合金铸锭的微观组织照片，从图1a可以看出，本实施例得到的TC4钛合金铸锭的微观组织由细短片层组成，微观组织中原始β晶界不明显，且微观组织中没有TiB析出，说明TC4钛合金铸锭中的B元素均固溶在TC4钛合金基体中，起到固溶强化的作用。
图1b为本实施例得到的锻态TC4钛合金坯料热处理状态的微观组织照片，从图1b可以看出，本实施例得到的锻态TC4钛合金坯料热处理状态的微观组织非常细小、均匀，约含85％～90％的细小等轴α相，无硼化物析出现象，说明采用本发明的微合金化方法可显著细化TC4钛合金的晶粒尺寸，且B元素在TC4钛合金基体中的存在状态在锻造和热处理过程中不会发生改变。
实施例2
本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Ti-Fe中间合金、铝豆、TiO2粉末、B粉末混合压制成电极，然后进行三次真空自耗电弧熔炼，得到TC4钛合金铸锭；所述TC4钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.2％，V 4.3％，Fe 0.28％，O 0.17％，B 0.10％、C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；所述0级海绵钛的粒度为0.83mm～12.7mm；
步骤二、将步骤一中得到的TC4钛合金铸锭依次在相变点以上100℃～150℃进行单相区开坯和在相变点以下30℃～50℃进行两相区锻造，得到锻态TC4钛合金坯料；
步骤三、将步骤二中的得到的锻态TC4钛合金坯料在800℃保温1h进行热处理，空冷后得到TC4钛合金。
经检测，本实施得到的TC4钛合金的室温力学性能如下表2所示。
表2实施例2得到的TC4钛合金的室温力学性能
试样编号 R<sub>P0.2</sub>(MPa) R<sub>m</sub>(MPa) A(％) Z(％)
1 1008 1065 12 40
2 1004 1072 12 36
GJB2218A-2008 825 895 8 15
从表2可知，本实施得到的TC4钛合金的强度和塑性均优于GJB2218A-2008标准《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》对TC4钛合金的要求，且强度与塑性匹配良好。
图2a为本实施例得到的TC4钛合金铸锭的微观组织照片，从图2a可以看出，本实施例得到的TC4钛合金铸锭的微观组织由细短片层组成，微观组织中原始β晶界不明显，且微观组织中没有TiB析出，说明TC4钛合金铸锭中的B元素均固溶在TC4钛合金基体中，起到固溶强化的作用。
图2b为本实施例得到的锻态TC4钛合金坯料热处理状态的微观组织照片，从图2b可以看出，本实施例得到的锻态TC4钛合金坯料热处理状态的微观组织非常细小、均匀，约含85％～90％的细小等轴α相，无硼化物析出现象，说明采用本发明的微合金化方法可显著细化TC4钛合金的晶粒尺寸，且B元素在TC4钛合金基体中的存在状态在锻造和热处理过程中不会发生改变。
实施例3
本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Ti-Fe中间合金、铝豆、TiO2粉末、B粉末混合压制成电极，然后进行三次真空自耗电弧熔炼，得到TC4钛合金铸锭；所述TC4钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.4％，V 4.2％，Fe 0.26％，O 0.15％，B 0.12％、C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；所述0级海绵钛的粒度为0.83mm～12.7mm；
步骤二、将步骤一中得到的TC4钛合金铸锭依次在相变点以上100℃～150℃进行单相区开坯和在相变点以下30℃～50℃进行两相区锻造，得到锻态TC4钛合金坯料；
步骤三、将步骤二中的得到的锻态TC4钛合金坯料在800℃保温1h进行热处理，空冷后得到TC4钛合金。
经检测，本实施得到的TC4钛合金的室温力学性能如下表3所示。
表3实施例3得到的TC4钛合金的室温力学性能
试样编号 R<sub>P0.2</sub>(MPa) R<sub>m</sub>(MPa) A(％) Z(％)
1 1006 1067 11 30
2 1010 1065 11 36
GJB2218A-2008 825 895 8 15
从表3可知，本实施得到的TC4钛合金的强度和塑性均优于GJB2218A-2008标准《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》对TC4钛合金的要求，且强度与塑性匹配良好。
图3a为本实施例得到的TC4钛合金铸锭的微观组织照片，从图3a可以看出，本实施例得到的TC4钛合金铸锭的微观组织由细短片层组成，微观组织中原始β晶界不明显，且微观组织中没有TiB析出，说明TC4钛合金铸锭中的B元素均固溶在TC4钛合金基体中，起到固溶强化的作用。
图3b为本实施例得到的锻态TC4钛合金坯料热处理状态的微观组织照片，从图3b可以看出，本实施例得到的锻态TC4钛合金坯料热处理状态的微观组织非常细小、均匀，约含85％～90％的细小等轴α相，无硼化物析出现象，说明采用本发明的微合金化方法可显著细化TC4钛合金的晶粒尺寸，且B元素在TC4钛合金基体中的存在状态在锻造和热处理过程中不会发生改变。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Ti-Fe中间合金、铝豆、TiO2粉末、B粉末混合压制成电极，然后进行真空自耗电弧熔炼，得到TC4钛合金铸锭；所述TC4钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.0％～6.4％，V 4.0％～4.3％，Fe 0.20％～0.28％，O 0.15％～0.20％，B 0.05％～0.12％、C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；
步骤二、将步骤一中得到的TC4钛合金铸锭依次在相变点以上100℃～150℃进行单相区开坯和在相变点以下30℃～50℃进行两相区锻造，得到锻态TC4钛合金坯料；
步骤三、将步骤二中得到的锻态TC4钛合金坯料进行热处理，得到TC4钛合金；所述TC4钛合金的抗拉强度Rm＞1060MPa，屈服强度RP0.2＞1000MPa，延伸率A＞10％。
2.根据权利要求1所述的一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法，其特征在于，步骤一中所述0级海绵钛的粒度为0.83mm～12.7mm。
3.根据权利要求1所述的一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法，其特征在于，步骤一中所述TC4钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.0％～6.4％，V 4.0％～4.3％，Fe 0.20％～0.28％，O 0.15％～0.20％，B 0.08％～0.10％、C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti。
4.根据权利要求1所述的一种提高TC4钛合金强度水平的微合金化方法，其特征在于，步骤三中所述热处理的制度为：在800℃保温1h后空冷。
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