CN111041273A

CN111041273A - 低成本的锻造钛合金材料、制备方法及其应用

Info

Publication number: CN111041273A
Application number: CN201911326679.2A
Authority: CN
Inventors: 朱乐乐
Original assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Current assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-04-21

Abstract

本发明涉及一种低成本的锻造钛合金材料、制备方法及其应用，钛合金的材料牌号为Ti‑4Al‑1Mo‑1Cr‑1Fe，其化学成分按重量百分比为：Al：2%~6%、Mo：0.6%~1.4%、Cr：0.6%~1.4%、Fe：0.6%~1.8%，余量为Ti和不可避免的杂质。在制备时，将海绵钛、纯铝、钼铁合金、铬铁合金，按照上述化学成分配比混合，然后挤压成熔炼用的自耗电极，经真空自耗电弧炉二次或二次以上熔炼成铸锭，再经锻造获得所述的锻造钛合金材料。本发明的Ti‑4Al‑1Mo‑1Cr‑1Fe钛合金具有较低的密度，高的强度、塑性、弹性模量，热锻、热轧、冷锻、冷轧工艺性能，适合用于高尔夫球头顶盖和底板。

Description

低成本的锻造钛合金材料、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种低成本的锻造钛合金材料、制备方法及其应用。

背景技术

钛及钛合金具有密度小、屈强比高、耐腐蚀等许多优点，被誉为“崛起的第三金属”，是一种重要的战略金属材料，对国民经济的建设、发展具有重要作用。随着人们对钛知识的了解逐渐深入，钛及钛合金得到了越来越广泛的推广应用，特别是体育用品、建筑、电力、汽车等民用行业用钛量逐年增加。但高价格一直是制约钛合金大量应用的最大障碍。因此，降低材料成本一直是钛合金研究领域最受关注的重点之一。目前，最有效的降低钛合金成本的途径有以下几个方面：（1）开发新型钛合金，主要合金元素所需添加的中间合金含量较少或者价格较低；（2）在熔炼铸锭时，能够添加较大比例的钛残料；（3）改进制备技术，降低熔炼，加工成本。

钛制高尔夫球头是钛合金在体育制品行业应用的一个典型，该行业的用钛量保持了一个相对稳定的增长，钛制高尔夫球头的顶盖和底板是用钛量最大的部位，一般采用中等强度的钛合金板，如：TC1、Gr4、Ti-4Zr、64Ti、KS100、Ti15333，等。近几年，随着对高尔夫球头性能要求的不断提高，也对钛合金提出了更高的性能指标要求。同时，钛制高尔夫球头用量的增大，也带来了降低成本的需求。但是，现有产品中采用TC1合金，由于加入了1.5%的锰元素，熔炼工艺复杂，导致板材成本较高。采用的Gr4合金强度偏低，强度都在650 MPa以上。采用的Ti-4 Zr钛合金的强度和硬度偏低，使用效果不太理想，而且由于该合金中加入了4%的锆元素，使得成本相对较高。KS100的合金元素只有1%，与纯钛相近，强度与Ti64合金相当，故其性价比高。所以，在日益激烈的市场竞争中，用户希望能够得到一种冷成型能力优异、拉伸强度在700 MPa以上，延伸率15%以上、断面收缩率高，塑韧性良好，价格较低的钛合金来制造高尔夫球头顶盖和底板。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本的锻造钛合金材料、制备方法及其应用，对合金成分及原材料进行选取设计，通过降低合金原材料成本，配制熔炼出成本较低的高强度高延伸率锻造钛合金材料，该材料具有优良的力学性能，再经锻造、热轧、冷轧的方法可加工成高尔夫球头顶盖和底板用的钛合金板材。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种低成本的锻造钛合金材料，其钛合金的材料牌号为Ti-4Al-1Mo-1Cr-1Fe，其化学成分按重量百分比为：Al：2%~6%、Mo：0.6%~1.4%、Cr：0.6%~1.4%、Fe：0.6%~1.8%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述低成本的锻造钛合金材料屈服强度≥620MPa，抗拉强度≥720MPa，延伸率≥15%，断面收缩率≥35%，弹性模量≥115GPa。

一种钛合金材料的制备方法，用于制备所述的低成本的锻造钛合金材料，将海绵钛、纯铝、钼铁合金、铬铁合金，按照上述化学成分配比混合，然后挤压成熔炼用的自耗电极，经真空自耗电弧炉二次或二次以上熔炼成铸锭，熔炼真空度0-5Pa，弧电压30-40V，弧电流5000-10000A；熔炼后的铸锭经去除收弧端缩孔和表皮，制备成锻造用光锭；然后，将所得光锭采用多火次锻造，每火次锻造进行数次墩拔，得到所需的低成本的锻造钛合金材料。

上述钛合金材料的制备方法中，所述熔炼后的铸锭中各成分的百分比为：Al：2%~6%、Mo：0.6%~1.4%、Cr：0.6%~1.4%、Fe：0.6%~1.8%，余量为Ti和不可避免的杂质。

一种低成本锻造钛合金材料的应用，上述所制备的低成本的锻造钛合金材料能够用于加工高尔夫球头的顶盖和底板。

本发明的Ti-4Al-1Mo-1Cr-1Fe钛合金具有较低的密度，高的强度、塑性、弹性模量，热锻、热轧、冷锻、冷轧工艺性能，适合用于高尔夫球头的顶盖和底板。这种新型钛合金的力学性能指标为：Rp_0.2≥620MPa，Rm≥720MPa，A≥15%，Z≥35%，E≥115GPa。

本发明是以Ti-Al-Mo-Cr-Fe五元合金系化学成分为基础，以钛为基体，加入Al、Mo、Cr、Fe合金元素及微量N、H、O元素，其中合金元素的添加方式为：采用低成本的钼铁、铬铁中间合金，以降低材料成本。

本发明从原材料成本角度考虑，因为采用了低成本的中间合金，降低了材料成本；从加工工艺成本考虑，由于该材料具有很好的热锻、热轧、冷锻、冷轧工艺性能，可以减少锻造和轧制的火次，从而降低了加工成本。因此，Ti-4Al-1Mo-1Cr-1Fe材料是一种低成本的钛合金材料。

附图说明

图1为Ti-4.1 Al-1.0 Mo-0.75 Cr-1.0 Fe的钛合金经铸造及锻造成型后材料的金相组织（100×）图。

图2为Ti-4.1 Al-1.0 Mo-0.75 Cr-1.0 Fe的钛合金经铸造及锻造成型后材料的金相组织（500×）图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

将海绵钛、纯铝、钼铁中间合金、铬铁中间合金按重量百分比配制钛合金，原材料经均匀混合后挤压成熔炼用自耗电极，经真空自耗电极电弧炉二次或二次以上熔炼成铸锭，熔炼真空度0-5Pa，弧电压30-40V，弧电流5000-10000A；熔炼后的铸锭经去除收弧端缩孔和表皮，制备成锻造用光锭；铸锭的化学含量为：Ti-(2.0～6.0)Al-(0.6～1.4)Mo-(0.6～1.4)Cr-(0.6～1.8)Fe，采用多火次锻造，每火次锻造进行数次墩拔；制备的锻造板坯采用热轧和冷轧工艺制备出高尔夫球头顶盖和底板用的钛合金板材。

主要选取以下5种成分配比，进行合金成分的设计：

（1）Ti-2.1 Al-1.4 Mo-0.6 Cr-0.6 Fe；

（2）Ti-2.3 Al-1.0 Mo-0.8 Cr-1.2 Fe；

（3）Ti-4.1 Al-1.0 Mo-0.75 Cr-1.0 Fe；

（4）Ti-6.1 Al-1.0 Mo-0.8 Cr-1.1 Fe；

（5）Ti-5.9 Al-0.6 Mo-1.4 Cr-1.8 Fe。

以上5种成分的合金，经铸造成型并锻造后，其主要力学性能指标如表1所示。

表1中Rp_0.2为屈服强度，Rm为抗拉强度，A为延伸率，Z为断面收缩率，E为弹性模量。从表1中可以看出，合金成分的变化对钛合金的力学性能变化影响较大。随着Al元素含量的不断增加，其抗拉强度和屈服强度均不断增大，延伸率和断面收缩率有所减小。这是因为Al元素为α稳定型元素，Mo、Cr、Fe元素为β稳定型元素。随着Al元素的不断增多，钛合金中部分β钛逐渐转变为α钛，α钛为密排六方结构，β钛为体心立方结构，体心立方较密排六方结构材料有更好的塑性变形能力。故制得的钛合金材料随着Al元素的不断增多，强度增大，塑性有所降低。

在实际应用中，高尔夫球头顶盖及底板材料，要求具有高强度较强塑性变形。结合表1，Ti-4.1 Al-1.0 Mo-0.75 Cr-1.0 Fe高弹钛合金具有较低的密度，高的延伸率、且具有较佳的强度。该材料锻造后的性能：R_p0.2≥700MPa，R_m≥780MPa，A≥15%，Z≥35%，E≥115GPa。满足高尔夫球头顶盖及底板材料性能要求。

以上述合金成分为Ti-4.1 Al-1.0 Mo-0.75 Cr-1.0 Fe的钛合金为例，说明本发明所设计的钛合金在锻造成型后材料的金相组织。合金成分为Ti-4.1 Al-1.0 Mo-0.75Cr-1.0 Fe的钛合金，经铸造及锻造成型后的组织如图1、图2所示。Ti-4.1 Al-1.0 Mo-0.75Cr-1.0 Fe金相组织为魏氏组织：片状α+晶间β+晶界α。其中β相含量约39%。

以1 kg的铸锭为例，对高尔夫球头顶盖和底板常用的原材料64Ti钛合金（原料：海绵钛、铝钒AIV55、纯铝），和本发明设计出的Ti-4Al-1Mo-1Cr-1.3Fe钛合金，分别进行成本计算。

配备合金原材料单价：海绵钛-80元/kg（k1），纯铝-26元/kg（k2），铝钒AIV55-260元/kg（k3），钼铁合金（60MoFe）-135元/kg（k4），铁铬合金-28元/kg（k5）。

（1）1kg的64Ti（Ti-6Al-4V）经计算需要0.9kg的海绵钛，0.0273kg的纯铝，0.0727kg的铝钒AIV55。

原材料单价（64Ti）=所需海绵钛质量×k1+所需纯铝质量×k2+所需铝钒AIV55×k3

=0.9×80+0.0273×26+0.0727×260=91.61元

（2）1kg的Ti-4Al-1Mo-1Cr-1.3Fe经计算0.93kg的海绵钛，0.038kg的纯铝，0.016kg的钼铁合金，0.016kg的铁铬合金。

原材料单价（Ti-4Al-1Mo-1Cr-1.3Fe）=所需海绵钛质量×k1+所需纯铝质量×k2+所需钼铁合金质量×k4+所需铁铬合金质量×k5=0.93×80+0.038×26+0.016×135+0.016×28=78元

可见，原材料单价（Ti-4Al-1Mo-1Cr-1.3Fe）＜原材料单价（64Ti）。

经计算，本发明所设计的钛合金与传统的高尔夫球头顶盖和底板材料64Ti相比，成本价格下降10%，能够带来可观的经济效益，可广泛的应用于高尔夫球头顶盖和底板，且该材料锻造后性能优良，也可经热轧及冷轧加工制备钛合金板带产品。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种低成本的锻造钛合金材料，其特征在于，其钛合金的材料牌号为Ti-4Al-1Mo-1Cr-1Fe，其化学成分按重量百分比为：Al：2%~6%、Mo：0.6%~1.4%、Cr：0.6%~1.4%、Fe：0.6%~1.8%，余量为Ti和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种低成本的锻造钛合金材料，其特征在于，该钛合金材料屈服强度≥620MPa，抗拉强度≥720MPa，延伸率≥15%，断面收缩率≥35%，弹性模量≥115GPa。

3.一种钛合金材料的制备方法，用于制备如权利要求1所述的低成本的锻造钛合金材料，其特征在于，将海绵钛、纯铝、钼铁合金、铬铁合金，按照权利要求1中化学成分配比混合，然后挤压成熔炼用的自耗电极，经真空自耗电弧炉二次或二次以上熔炼成铸锭，熔炼真空度0-5Pa，弧电压30-40V，弧电流5000-10000A；熔炼后的铸锭经去除收弧端缩孔和表皮，制备成锻造用光锭；然后，将所得光锭采用多火次锻造，每火次锻造进行数次墩拔，得到所需的高强度高延伸率锻造钛合金材料。

4.根据权利要求3所述的钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述熔炼后的铸锭中各成分的百分比为：Al：2%~6%、Mo：0.6%~1.4%、Cr：0.6%~1.4%、Fe：0.6%~1.8%，余量为Ti和不可避免的杂质。

5.一种锻造钛合金材料的应用，其特征在于，权利要求3中所制备的低成本的锻造钛合金材料用于加工高尔夫球头的顶盖和底板。