CN110229976B - 一种屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金，属于钛合金领域。其化学成分质量百分比为：Al：5.5～7.0％，V：3.5～4.5％，Ni：0.10～0.8％，Nb：0.15～0.8％，Fe<0.2％，C<0.06％，N<0.05％，O<0.20％，H<0.015％，其余为Ti和不可避免的杂质。本发明钛合金的制备方法如下：按照上述成分进行原料配比，采用高真空熔炼制备成分均匀的钛合金锭，再经过机加工和探伤获得质量合格的合金锭。在1000～750℃热加工，950～850℃固溶处理，760℃～650℃时效处理得到成品高强韧钛合金。该钛合金室温屈服强度≥900MPa，0℃的V型缺口冲击功Kv2≥44J，断后伸长率A50≥14％。本发明钛合金具有低成本、易于热加工、高性能的特点。

Description

一种屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金及制备方法
技术领域
本发明涉及一种屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金及其制备方法。
背景技术
钛合金是一种重要的结构材料，在航空、航天、核能和化工等诸多领域得到重视。
钛及钛合金具有许多优良的性能，如比强度高，高温性能优良，抗腐蚀性能好，可以广泛应用于化工，石油开采等领域，作为现有的不锈钢或者镍基合金的替代产品，其价格较镍基合金更低，其抗腐蚀性能和高温性能较不锈钢钢更优异，所以，钛及钛合金在该领域有较广阔的应用前景。
中国专利CN 105803262 A公开了一种含钨的高强钛合金，其合金成分包括Al、Cr、Mo、W、Fe，其中W质量分数为2％～4％，该合金经过不同的处理工艺后的室温抗拉强度可以达到860MPa～1500MPa。
中国专利CN 102212715 A公开了一种近β钛合金，减少了V和Mo元素的添加，增加了Cr和Fe，不易引起偏析，但是，其生产工艺复杂，成本较高，同时对于杂质元素的含量提出了较高的要求。
TC4合金作为应用量最大的钛合金，其生产工艺比较成熟，产品易于应用与推广，基于TC4合金开发低成本高强高韧性钛合金对于拓宽钛合金的使用范围有重要的意义。
发明内容
本发明目的是基于TC4合金开发一种低成本高强高韧性钛合金，拓宽钛合金的使用范围。
一种屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金，按质量含量计，包含Al：5.5～7.0％，V：3.5～4.5％，Ni：0.10～0.8％，Nb：0.15～0.8％，Fe<0.2％，C<0.06％，N<0.05％，O<0.20％，H<0.015％，其余为Ti和不可避免的杂质。
进一步地，所述钛合金中：0.32％≤Ni+Nb≤1.6％，Fe+C+N+O+H<0.50％。
本发明还提供了所述屈服强度高于900MPa的高强韧钛合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照质量分数Al：5.5～7.0％，V：3.5～4.5％，Ni：0.10～0.8％，Nb：0.15～0.8％，Fe<0.2％，C<0.06％，N<0.05％，O<0.20％，H<0.015％，余量为Ti和不可避免的杂质进行原料配比进行原料配比；
S2：采用高真空熔炼设备熔炼步骤S1获得的原料，得到成分均匀的铸态合金铸锭；
S3：对S2获得的铸态合金锭进行机加工和探伤处理，获得质量合格的合金铸锭；
S4：将所述步骤S3得到的合金铸锭进行热加工，然后冷却至室温，得到成品；
S5：将所述步骤S4得到的成品进行固溶处理，而后冷却到室温，得到钛合金；
S6：将所述步骤S5得到的钛合金进行时效处理，冷却到室温后得到高强韧的钛合金。
进一步地，步骤S4所述的热加工温度为1000～750℃，保温时间0.5-1.5h。
进一步地，步骤S5所述的固溶处理温度是950℃～850℃，保温时间0.5-1.0h。
进一步地，步骤S6所述的时效处理温度是760℃～650℃，保温时间0.5-1.0h。
进一步地，将步骤S4和步骤S5两步合并为一步，即热加工温度直接加热到850～950℃的固溶温度，保温0.5-1.0h；实现短流程，提高生产效率，具有一定的经济性。
本发明所添加的Ni和Nb元素的质量分数之和大于0.32％，能够形成细小而弥散的析出，不仅能够在热加工过程中控制晶粒长大的速度，形成细小的晶粒，同时能够起到析出强化的作用，同时提高钛合金的强度和韧性。
本发明严格控制元素含量，控制成本的同时不影响材料的加工性能，并且能够提升钛合金的性能。
本发明得到的高强韧钛合金的屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥970MPa，断后伸长率A50≥14％上，0℃冲击功Kv2≥41J。
附图说明
图1为本发明实施方式1制备的钛合金的金相扫描电镜图；
图2为本发明实施方式2制备的钛合金的金相扫描电镜图；
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。本发明将合金原料熔炼后得到铸态合金坯。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合金原料以能得到目标组分的钛合金为准，本发明对各种合金原料的比例没有特殊的限定，能够使最终合金成分满足要求即可。
实施方式1：
本实施方式中的元素按照质量分数计，包含Al：5.5～6.0％，V：3.5～4.5％，Ni：0.3～0.5％，Nb：0.3～0.5％，Ni+Nb：0.80％～1.00％，Fe<0.20％，C<0.06％，N<0.05％，O<0.20％，H<0.015％，其余为Ti和不可避免的杂质。
本实施方式中的高强韧钛合金的制备方法如下：
S1：制备合金坯料：按照质量分数Al：5.5～6.0％，V：3.5～4.5％，Ni：0.3～0.5％，Nb：0.3～0.5％，Ni+Nb：0.80％～1.00％，Fe<0.20％，C<0.06％，N<0.05％，O<0.20％，H<0.015％，其余为Ti和不可避免的杂质进行原料配料。
S2：利用高真空熔炼设备进行多次熔炼，保证成分均匀，冷却后得到铸态合金铸锭。
S3：对铸态合金坯料进行机加工和探伤，获得质量合格的合金铸锭。
S4：热加工：将铸态合金坯加热至热加工温度，保温一定时间，确保铸态合金坯内部温度均匀，然后进行多道次热加工，热加工温度为1000℃～750℃，热加工的总变形量为70％，加工后空冷至室温。
S5：固溶时效处理：加工后的坯料进行固溶处理，固溶温度为900℃，固溶时间为30min，固溶后空冷至室温；
S6：时效处理：时效温度为690℃，时效时间为30min，时效处理后空冷至室温。
采用本实施方式中钛合金成分和制备方法，得到的力学性能如下：屈服强度≥950MPa、抗拉强度970～990MPa、伸长率15％、0℃冲击功Kv2为55J，金相组织如图1所示。
实施方式2：
本实施方式中的元素按照质量分数计，包含Al：5.5～6.0％，V：3.5～4.0％，Ni：0.4～0.8％，Nb：0.4～0.8％，Ni+Nb：1.2％～1.6％，Fe<0.20％，C<0.06％，N<0.05％，O<0.20％，H<0.015％，其余为Ti和不可避免的杂质。
本实施方式中的高强韧钛合金的制备方法如下：
S1：制备合金坯料：按照质量分数计，包含Al：5.5～6.0％，V：3.5～4.0％，Ni：0.4～0.8％，Nb：0.4～0.8％，Ni+Nb：1.2％～1.6％，Fe<0.20％，C<0.06％，N<0.05％，O<0.20％，H<0.015％，其余为Ti和不可避免的杂质进行原料配料。
S2：利用高真空熔炼设备进行多次熔炼，保证成分均匀，冷却后得到铸态合金铸锭。
S3：对铸态合金坯料进行机加工和探伤，获得质量合格的合金铸锭。
S4：热加工：将铸态合金坯加热至热加工温度，保温一定时间，确保铸态合金坯内部温度均匀，然后进行多道次热加工，热加工温度为1000℃～750℃，热加工的总变形量为70％，加工后空冷至室温。
S5：固溶处理：热加工后的坯料进行固溶处理，然后时效处理。固溶温度为900℃，固溶时间为30min，固溶后空冷至室温；
S6：时效温度为760℃，时效时间为30min，时效处理后空冷至室温。
采用本实施方式中钛合金成分和制备方法，得到的力学性能如下：屈服强度964～977MPa、抗拉强度1021～1039MPa、伸长率17％、0℃冲击功Kv2为56J，金相组织如图2所示。
实施方式3：
本实施方式中的元素按照质量分数计，包含Al：6.0～7.0％，V：4.0～4.5％，Ni：0.1～0.3％，Nb：0.15～0.3％，Ni+Nb：0.32％～0.60％，Fe<0.20％，C<0.06％，N<0.05％，O<0.20％，H<0.015％，其余为Ti和不可避免的杂质。
本实施方式中的高强韧钛合金的制备方法如下：
S1：制备合金坯料：按照质量分数Al：6.0～7.0％，V：4.0～4.5％，Ni：0.1～0.3％，Nb：0.2～0.3％，Ni+Nb：0.32％～0.60％，Fe<0.20％，C<0.06％，N<0.05％，O<0.20％，H<0.015％，其余为Ti和不可避免的杂质进行原料配料。
S2：利用高真空熔炼设备进行多次熔炼，保证成分均匀，冷却后得到铸态合金铸锭。
S3：对铸态合金坯料进行机加工和探伤，获得质量合格的合金铸锭。
S4：热加工：将铸态合金坯加热至热加工温度，保温一定时间，确保铸态合金坯内部温度均匀，然后进行多道次热加工，热加工温度为1050℃～800℃，热加工的总变形量为70％，在热加工工过程中，空冷至740℃以下，然后升温至900℃保温30min进行固溶处理，加工后空冷至室温。
S6：时效处理：热加工后的坯料进行时效处理，时效温度为690℃，时效时间为30min，空冷至室温。
采用本实施方式中钛合金成分和制备方法，得到的力学性能如下：屈服强度905MPa、抗拉强度975MPa、伸长率16％、0℃冲击功Kv2为52J。

Claims (6)

1.一种屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金，其特征在于化学成分质量百分比为：Al：5.5～7.0%，V：3.5～4.5%，Ni：0.10～0.8%，Nb：0.15～0.8%，Fe<0.20%，C<0.06%，N<0.05%，O<0.20%，H<0.015%，其余为Ti和不可避免的杂质；
所述钛合金中，0.32%≤Ni+Nb≤1.6%，Fe+C+N+O+H<0.50%；
所述高韧性钛合金的屈服强度＞900MPa，抗拉强度≥970MPa，断后伸长率A50≥14%，0℃冲击功Kv2≥41J；
所述的屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照质量分数Al：5.5～7.0%，V：3.5～4.5%，Ni：0.10～0.8%，Nb：0.15～0.8%，Fe<0.2%，C<0.06%，N<0.05%，O<0.20%，H<0.015%，余量为Ti和不可避免的杂质进行原料配比；
S2：采用高真空熔炼设备熔炼步骤S1获得的原料，得到成分均匀的铸态合金铸锭；
S3：对S2获得的铸态合金锭进行机加工和探伤处理，获得质量合格的合金铸锭；
S4：将所述步骤S3得到的合金铸锭进行热加工，然后冷却至室温，得到成品；
S5：将所述步骤S4得到的成品进行固溶处理，而后冷却到室温，得到钛合金；
S6：将所述步骤S5得到的钛合金进行时效处理，冷却到室温后得到高强韧的钛合金。
2.一种权利要求1所述的屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：按照质量分数Al：5.5～7.0%，V：3.5～4.5%，Ni：0.10～0.8%，Nb：0.15～0.8%，Fe<0.2%，C<0.06%，N<0.05%，O<0.20%，H<0.015%，余量为Ti和不可避免的杂质进行原料配比；
S2：采用高真空熔炼设备熔炼步骤S1获得的原料，得到成分均匀的铸态合金铸锭；
S3：对S2获得的铸态合金锭进行机加工和探伤处理，获得质量合格的合金铸锭；
S4：将所述步骤S3得到的合金铸锭进行热加工，然后冷却至室温，得到成品；
S5：将所述步骤S4得到的成品进行固溶处理，而后冷却到室温，得到钛合金；
S6：将所述步骤S5得到的钛合金进行时效处理，冷却到室温后得到高强韧的钛合金。
3.如权利要求2所述的屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金的制备方法，其特征在于步骤S4所述的热加工温度为750~1000℃，保温时间0.5-1.5h。
4.如权利要求2所述的屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金的制备方法，其特征在于步骤S5所述的固溶处理温度是850℃～950℃，保温时间0.5-1.0h。
5.如权利要求2所述的屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金的制备方法，其特征在于步骤S6所述的时效处理温度是650℃～760℃，保温时间0.5-1.0h。
6.根据权利要求2所述的屈服强度高于900MPa的高韧性钛合金的制备方法，其特征在于将步骤S4和步骤S5两步合并为一步，即热加工温度直接加热到850～950℃的固溶温度，保温0.5-1.0h。
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