CN110643852A - 一种高强度高韧性钛合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强度高韧性钛合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性钛合金，按照质量百分比由以下原料组分构成：Al、6.0‑9.0％，Mo、2.5‑5.5％，Nb、1.5‑4.5％，Zr、2‑6.0％，La、0.1‑0.6％，Sn、1.0‑3.0％，Si、0.2‑0.4％，其余为钛及不可去除的杂质元素，本发明还公开了上述钛合金的制备方法，将上述原料混合、烧结、熔炼、经过开坯锻造、改锻、退火即可得到高强度高韧性钛合金。通过本发明的方法制备钛合金，不仅工艺简单，生产成本低，得到的钛合金强度高韧性高。

Description

一种高强度高韧性钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金制备技术领域，涉及一种高强度高韧性钛合金，本发明还涉及上述钛合金的制备方法。
背景技术
航空航天业和军工的发展对高强度、高断裂韧性的新型钛合金的需求越来越迫切，因此，研究用于航空大型结构件和特种车辆大型锻件的新型高强度高韧性钛合金得到世界各国的重视。
现有的钛合金的强度和韧性不足，拉伸延性低，可锻性差，制造成本高，制作工艺复杂，为了增强强度和韧性多需经过固溶时效处理，该工艺耗时长、工艺成本高，从而造成产品成本具高不下，也很难实现大规模工业化生产，不利于推广应用。这些都限制了现有钛合金在航空航天业和军工方面的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度高韧性钛合金，解决了现有技术中存在的钛合金强度韧性性能差、工艺复杂以及成本高的问题。
本发明的另一目的是提供上述高强度高韧性钛合金的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种高强度高韧性钛合金，按照质量百分比由以下原料组分构成：Al、6.0-9.0％，Mo、2.5-5.5％，Nb、1.5-4.5％，Zr、2-6.0％，La、0.1-0.6％，Sn、1.0-3.0％，Si、0.2-0.4％，其余为钛及不可去除的杂质元素。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种高强度高韧性钛合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按重量百分比分别称取Al、6.0-9.0％，Mo、2.5-5.5％，Nb、1.5-4.5％，Zr、2-6.0％，La、0.1-0.6％，Sn、1.0-3.0％，Si、0.2-0.4％，其余为钛及不可去除的杂质元素；
步骤2、将步骤1称取的原料混合，并加入无水乙醇进行球磨；
步骤3、将经过步骤2球磨过的混合物置于模具中进行烧结形成烧结坯；
步骤4、将步骤3得到的烧结坯放入真空自耗电弧炉中进行两次或三次熔炼，得到成分均匀的铸锭；
步骤5、将步骤4得到的铸锭经过开坯锻造、改锻、退火即可得到高强度高韧性钛合金。
本发明的特点还在于：
步骤2中进行球磨的磨球与混合原料的重量比为8:1，磨球的转速为230-310r/min。
步骤3中形成烧结坯后，烧结坯在降温过程中通入氮源进行渗氮处理。
烧结坯在温度降至1000-800℃时，通入氮源，并保持7-12h。
步骤3中烧结温度为1200-1300℃，烧结时间为20-40min，烧结压力为55-65MPa。
步骤5中开坯锻造温度为1100-1150℃，改锻温度为970-1020℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在烧结过程中进行渗氮处理，简化了工艺流程，在一定温度进行一定时间的渗氮使得钛合金具备良好的强度；
(2)本发明在无水乙醇的氛围下进行球磨混合原料，使得混合原料形成更加均匀的分散相；
(3)通过本发明的方法制备的钛合金强度及韧性均匀较大的提高，且工艺简单，生产成本降低。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种高强度高韧性钛合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按重量百分比分别称取Al、6.0-9.0％，Mo、2.5-5.5％，Nb、1.5-4.5％，Zr、2-6.0％，La、0.1-0.6％，Sn、1.0-3.0％，Si、0.2-0.4％，其余为钛及不可去除的杂质元素；
步骤2、将步骤1称取的原料混合，并加入无水乙醇进行球磨，进行球磨的磨球与混合原料的重量比为8:1，磨球的转速为230-310r/min；
步骤3、将经过步骤2球磨过的混合物置于模具中进行烧结形成烧结坯，烧结温度为1200-1300℃，烧结时间为20-40min，烧结压力为55-65MPa，形成烧结坯后，烧结坯在降温过程中温度降至1000-800℃时，通入氮源7-12h进行渗氮处理；
步骤4、将步骤3得到的烧结坯放入真空自耗电弧炉中进行两次或三次熔炼，得到成分均匀的铸锭；
步骤5、将步骤4得到的铸锭经过开坯锻造、改锻、退火即可得到高强度高韧性钛合金，开坯锻造温度为1100-1150℃，改锻温度为970-1020℃。
在本发明一种高强度高韧性钛合金的制备方法：
烧结过程中进行渗氮处理，简化了工艺流程，在一定温度进行一定时间的渗氮使得钛合金具备良好的强度；
在无水乙醇的氛围下进行球磨混合原料，使得混合原料形成更加均匀的分散相，使得最终的钛合金件性能更加稳定。
实施例1
一种高强度高韧性钛合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按重量百分比分别称取Al、6.0％，Mo、2.5％，Nb、1.5％，Zr、2.0％，La、0.6％，Sn、3.0％，Si、0.4％，其余为钛及不可去除的杂质元素；
步骤2、将步骤1称取的原料混合，并加入无水乙醇进行球磨，进行球磨的磨球与混合原料的重量比为8:1，磨球的转速为230r/min；
步骤3、将经过步骤2球磨过的混合物置于模具中进行烧结形成烧结坯，烧结温度为1200℃，烧结时间为40min，烧结压力为55MPa，形成烧结坯后，烧结坯在降温过程中温度降至800℃时，通入氮源7h进行渗氮处理；
步骤4、将步骤3得到的烧结坯放入真空自耗电弧炉中进行两次熔炼，得到成分均匀的铸锭；
步骤5、将步骤4得到的铸锭经过开坯锻造、改锻、退火即可得到高强度高韧性钛合金，开坯锻造温度为1100℃，改锻温度为970℃。
实施例2
一种高强度高韧性钛合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按重量百分比分别称取Al、7.0％，Mo、3.5％，Nb、2.5％，Zr、3.0％，La、0.5％，Sn、2.5％，Si、0.4％，其余为钛及不可去除的杂质元素；
步骤2、将步骤1称取的原料混合，并加入无水乙醇进行球磨，进行球磨的磨球与混合原料的重量比为8:1，磨球的转速为250r/min；
步骤3、将经过步骤2球磨过的混合物置于模具中进行烧结形成烧结坯，烧结温度为1200℃，烧结时间为40min，烧结压力为55MPa，形成烧结坯后，烧结坯在降温过程中温度降至850℃时，通入氮源8h进行渗氮处理；
步骤4、将步骤3得到的烧结坯放入真空自耗电弧炉中进行两次熔炼，得到成分均匀的铸锭；
步骤5、将步骤4得到的铸锭经过开坯锻造、改锻、退火即可得到高强度高韧性钛合金，开坯锻造温度为1110℃，改锻温度为980℃。
实施例3
一种高强度高韧性钛合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按重量百分比分别称取Al、8.0％，Mo、4.5％，Nb、3.5％，Zr、4.0％，La、0.4％，Sn、2.0％，Si、0.3％，其余为钛及不可去除的杂质元素；
步骤2、将步骤1称取的原料混合，并加入无水乙醇进行球磨，进行球磨的磨球与混合原料的重量比为8:1，磨球的转速为270r/min；
步骤3、将经过步骤2球磨过的混合物置于模具中进行烧结形成烧结坯，烧结温度为1250℃，烧结时间为30min，烧结压力为60MPa，形成烧结坯后，烧结坯在降温过程中温度降至900℃时，通入氮源9h进行渗氮处理；
步骤4、将步骤3得到的烧结坯放入真空自耗电弧炉中进行两次熔炼，得到成分均匀的铸锭；
步骤5、将步骤4得到的铸锭经过开坯锻造、改锻、退火即可得到高强度高韧性钛合金，开坯锻造温度为1130℃，改锻温度为990℃。
实施例4
一种高强度高韧性钛合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按重量百分比分别称取Al、8.0％，Mo、5.0％，Nb、4.0％，Zr、5.0％，La、0.2％，Sn、2.0％，Si、0.3％，其余为钛及不可去除的杂质元素；
步骤2、将步骤1称取的原料混合，并加入无水乙醇进行球磨，进行球磨的磨球与混合原料的重量比为8:1，磨球的转速为290r/min；
步骤3、将经过步骤2球磨过的混合物置于模具中进行烧结形成烧结坯，烧结温度为1300℃，烧结时间为20min，烧结压力为65MPa，形成烧结坯后，烧结坯在降温过程中温度降至1000℃时，通入氮源10h进行渗氮处理；
步骤4、将步骤3得到的烧结坯放入真空自耗电弧炉中进行两次熔炼，得到成分均匀的铸锭；
步骤5、将步骤4得到的铸锭经过开坯锻造、改锻、退火即可得到高强度高韧性钛合金，开坯锻造温度为1140℃，改锻温度为1010℃。
实施例5
一种高强度高韧性钛合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按重量百分比分别称取Al、9.0％，Mo、5.5％，Nb、4.5％，Zr、6.0％，La、0.1％，Sn、1.0％，Si、0.2％，其余为钛及不可去除的杂质元素；
步骤2、将步骤1称取的原料混合，并加入无水乙醇进行球磨，进行球磨的磨球与混合原料的重量比为8:1，磨球的转速为310r/min；
步骤3、将经过步骤2球磨过的混合物置于模具中进行烧结形成烧结坯，烧结温度为1300℃，烧结时间为20min，烧结压力为65MPa，形成烧结坯后，烧结坯在降温过程中温度降至1000℃时，通入氮源12h进行渗氮处理；
步骤4、将步骤3得到的烧结坯放入真空自耗电弧炉中进行两次熔炼，得到成分均匀的铸锭；
步骤5、将步骤4得到的铸锭经过开坯锻造、改锻、退火即可得到高强度高韧性钛合金，开坯锻造温度为1150℃，改锻温度为1020℃。
上述实施例得到的钛合金以及现有的钛合金的参数对比如下表：
抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断裂韧性(J/cm 2)
实施例1 1305 1296 87
实施例2 1346 1329 92
实施例3 1403 1397 95
实施例4 1459 1439 97
实施例5 1526 1517 101
现有 976 950 73
通过上表可看出，通过本发明的方法制备得到的钛合金的强度高，韧性好，性能有明显的提高。

Claims (7)

1.一种高强度高韧性钛合金，其特征在于，按照质量百分比由以下原料组分构成：Al、6.0-9.0％，Mo、2.5-5.5％，Nb、1.5-4.5％，Zr、2-6.0％，La、0.1-0.6％，Sn、1.0-3.0％，Si、0.2-0.4％，其余为钛及不可去除的杂质元素。
2.一种高强度高韧性钛合金的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、按重量百分比分别称取Al、6.0-9.0％，Mo、2.5-5.5％，Nb、1.5-4.5％，Zr、2-6.0％，La、0.1-0.6％，Sn、1.0-3.0％，Si、0.2-0.4％，其余为钛及不可去除的杂质元素；
步骤2、将步骤1称取的原料混合，并加入无水乙醇进行球磨；
步骤3、将经过步骤2球磨过的混合物置于模具中进行烧结形成烧结坯；
步骤4、将步骤3得到的烧结坯放入真空自耗电弧炉中进行两次或三次熔炼，得到成分均匀的铸锭；
步骤5、将步骤4得到的铸锭经过开坯锻造、改锻、退火即可得到高强度高韧性钛合金。
3.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2中进行球磨的磨球与混合原料的重量比为8:1，磨球的转速为230-310r/min。
4.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3中形成烧结坯后，烧结坯在降温过程中通入氮源进行渗氮处理。
5.根据权利要求4所述的一种高强度高韧性钛合金的制备方法，其特征在于：所述烧结坯在温度降至1000-800℃时，通入氮源，并保持7-12h。
6.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤3中烧结温度为1200-1300℃，烧结时间为20-40min，烧结压力为55-65MPa。
7.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤5中开坯锻造温度为1100-1150℃，改锻温度为970-1020℃。
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