CN110396622A - 一种中强超高韧性钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种中强超高韧钛合金，包括以下重量百分比的原料：α稳定元素3.0~7.0%、β稳定元素2.0~6.0%和中性元素0.5~4.0%，余量为钛和不可避免的杂质，其中α稳定元素的化学组分为铝，β稳定元素的化学组分为钼和钒，中性元素的化学组分为锆和锡。其制备方法为：首先按照上述原料的重量百分比称重配料，均匀混合后压制成电极块；其次将电极块熔炼、铸锭车皮、去缩口；然后将铸锭加热后在加压设备上经开坯、锻造成锻件、加工成板坯；最后采用冷热轧机将板坯轧制为不同厚度的宽幅板材。本发明具有良好的压力加工性能和良好的拉伸塑性及可锻性，使用的材料具有很高的韧性，同时合金相变点低，合金的淬性好，在高温下组织的稳定性好。

Description

一种中强超高韧性钛合金及其制备方法

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程的钛合金丝材领域，具体涉及一种中强超高韧钛合金及其制备方法。

背景技术

作为船舶及海洋装备用合金，对材料本身有着特殊的要求，不仅要有足够的强度，而且要兼顾合适的韧性，因为船舶海洋工程用钛合金特殊的服役环境，基于安全可靠性的考虑，强度与韧性的匹配性作为一种钛合金性能重要的技术指标，越来越得到重视。为了满足高压容器“只漏不爆”的安全性要求，其安全性设计对钛合金的强度、塑性与韧性匹配提出了极高的要求，要求屈服强度不低于700MPa，延伸率不低于12%，冲击韧性不低于60J，断裂韧性不低于120MPa·m^1/2。中强超高韧钛合金综合性能要求高、技术跨度大，目前还缺少性能满足使用要求的钛合金材料。如我国船用钛合金体系中，屈服强度在600MPa-740MPa之间还是空白，缺少700MPa级中强超高韧钛合金；航空领域的TA17等合金塑韧性无法满足需求，因此急需开发一种新型中强超高韧钛合金，满足高压气瓶、液压空气瓶等船用高压容器的共性需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种中强超高韧钛合金及其制备方法。

本发明的技术方案是：一种中强超高韧钛合金，包括以下重量百分比的原料：α稳定元素3.0~7.0%、β稳定元素2.0~6.0%和中性元素0.5~4.0%，，余量为钛和不可避免的杂质，其中α稳定元素的化学组分为铝，β稳定元素的化学组分为钼和钒，中性元素的化学组分为锆和锡。

进一步优化，所述钛为工业级海绵钛。

进一步优化，所述杂质元素包括如下重量百分比的组分：碳含量不大于0.1%、铁含量不大于0.1%、氮含量不大于0.05%以及氧含量为0.06%。

进一步优化，述钛合金的材料性能为：R_m≥800MP、R_P0.2≥700MP、K钒₂≥60J、K_IC≥120MPa·m^1/2、K_ISCC≥90MPa·m^1/2

一种中强超高韧钛合金的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、钼、钒元素以中间合金的形式加入，锡、锆、铝元素以纯金属的形式加入，按照上述原料的重量百分比称重配料，均匀混合后压制成电极块；

步骤二、将步骤一中的电极块真空自耗电弧熔炼，预熔真空度应达到1Pa以上，熔炼次数为3-6次，将熔炼后的铸锭车皮、去缩口，备用；

步骤三、将步骤二中的铸锭加热后在加压设备上经T_β+150℃开坯，开坯后在α+β相区锻造成锻件，经多火次加工，在空气锤、水压机、挤压机等设备上加工成板坯；

步骤四、采用冷热轧机将板坯轧制为不同厚度的宽幅板材。

进一步优化，所述步骤三中的加压设备为空气锤或压机中的一种。

本发明的有益效果是：

一、添加锆元素对板材的焊接性、韧性具有一定的作用，船用钛合金在深海低温下要使材料具有高的延性和韧性，必须尽量减少材料内部的畸变和内成力，而锆作为中性元素，本发明中合金加入上限不超过2%，因其同素异构晶格类型与钛完全相同，原子半径也相近，可以使锆元素在α钛和β钛中均能形成无限互溶固溶体，起固溶强化作用，而且能促进钛在低温下的挛晶变形，使合金能在低温下保持高的延性和韧性；

二、添加钒元素，钒在钛合金中能起有效的固溶强化作用，降低（α＋β）相变点，与β钛晶格类型相同，能够无限固溶于β相内且无化合物相，可以提高钛合金板材强度的同时还能使合金保持良好的塑形；

三、添加了1%的锡元素，锡元素在钛合金中主要起到固溶强化作用，同时在两相合金中，锡元素的加入提高合金室温的抗拉强度、耐热性能及电阻率。

综上所述，本发明具有良好的压力加工性能和良好的拉伸塑性及可锻性，使用的材料具有很高的韧性，同时合金相变点低，合金的淬性好，在高温下组织的稳定性好。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将重量百分比为3%的铝元素、3%的钼元素、1.5%的锆元素、3.%的钒元素、0.3%的锡元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭。经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。

实施例2

将重量百分比为4%的铝元素、3%的钼元素、1%的锆元素、1%的锡元素、1%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭，经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。

实施例3

将重量百分比为4.5%的铝元素、3%的钼元素、1%的锆元素、1%的锡元素、1%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭，经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。

实施例4

将重量百分比为5.5%的铝元素、2%的钼元素、2%的锆元素、1%的锡元素、1%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭，经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。

实施例5

将重量百分比为6%的铝元素、1%的钼元素、2%的锆元素、1%的锡元素、1%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭，经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。

实施例6

将重量百分比为6.5%的铝元素、1%的钼元素、1%的锆元素、2%的锡元素、2%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭，经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。

实施例7

将重量百分比为5%的铝元素、1%的钼元素、2%的锆元素、1%的锡元素、1%的钒元素和工业1级海绵钛通过混料、压制电极棒、真空自耗电弧炉三次熔炼成合金铸锭，经T_β+150℃开坯，α+β相区锻造成锻件，采用冷热轧机轧制成为不同厚度的宽幅板材。

实施例8

将实施例1-7所制备的钛合金分别制作成试样条，对其进行材料性能检测，检测结果如下：

表1各实施例中制备钛合金材料的成分及性能

如表1所示，本发明所制备的钛合金材料与传统材料相比较，具有良好的压力和加工性能，以及良好的拉伸塑性和可锻性，此外，该钛合金材料的韧性具有很大的提高，在船舶和海洋工程等领域具有良好的技术应用与市场前景。

以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和发明书中描述的只是发明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种中强超高韧钛合金，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：α稳定元素3.0~7.0%、β稳定元素2.0~6.0%和中性元素0.5~4.0%，其中α稳定元素的化学组分为铝，β稳定元素的化学组分为钼和钒，中性元素的化学组分为锆和锡，余量为钛和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种中强超高韧钛合金，其特征在于，所述钛为工业级海绵钛。

3.如权利要求1所述的一种中强超高韧钛合金，其特征在于，所述杂质元素包括如下重量百分比的组分：碳含量不大于0.1%、铁含量不大于0.1%、氮含量不大于0.05%以及氧含量为0.06%。

4.如权利要求1所述的一种中强超高韧钛合金，其特征在于，所述钛合金的材料性能为：R_m≥800MP、R_P0.2≥700MP、KV₂≥60J、K_IC≥120MPa·m^1/2、K_ISCC≥90MPa·m^1/2。

5.如权利要求1所述的一种中强超高韧钛合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、钼、钒元素以中间合金的形式加入，锡、锆、铝元素以纯金属的形式加入，按照上述原料的重量百分比称重配料，均匀混合后压制成电极块；

步骤二、将步骤一中的电极块真空自耗电弧熔炼，预熔真空度应达到1Pa以上，熔炼次数为3-6次，将熔炼后的铸锭车皮、去缩口，备用；

步骤三、将步骤二中的铸锭加热后在加压设备上经T_β+150℃开坯，开坯后在α+β相区锻造成锻件，经多火次加工，在空气锤、水压机、挤压机等设备上加工成板坯；

步骤四、采用冷热轧机将板坯轧制为不同厚度的宽幅板材。

6.如权利要求5所述的一种中强超高韧钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的加压设备为空气锤或压机中的一种。