CN111304493A - 一种超强高塑钛合金及其制备方法 - Google Patents

一种超强高塑钛合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超强高塑钛合金，包括以下重量百分比组成：Al：4.5％～5.75％，Mo：3.0％～5.0％，Zr：2.0％～4.0％，Fe：2.0％～3.0％，Sn：0.3％～2.0％，Cr：0.30％～1.2％，O≤0.15％，其余为Ti和微量杂质。本发明还提供了一种超强高塑钛合金的制备方法。本发明通过多种多元合金的同时加入，在将钛合金抗拉强度提高到1400MPa～1550MPa的同时，保证了材料的加工塑性，使其延伸率大于10％，断面收缩率大于20％。

Description

一种超强高塑钛合金及其制备方法
技术领域
本发明应用于有色金属加工技术领域，具体涉及一种超强高塑钛合金及其制备方法。
背景技术
随着航空、兵器产业的发展，材料静态力学性能抗拉强度为≤1200MPa的钛合金已不能满足飞机设计、零件加工制造的需求，现有的1300MPa～1500MPa的钛合金材料，其拉伸断后延伸率基本≤12％，断面收缩率基本≤20％，在该强度级别的零件，仍在使用钢制材料。开发一种抗拉强度在1400MPa～1550MPa，并具有高塑性的超强高塑钛合金，对我国航空、兵器领域设计、制造的发展有极大的推动。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供一种超强高塑钛合金及其制备方法，通过多种多元合金的同时加入，在提高合金强度的同时，保证了材料的加工塑性。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：
一种超强高塑钛合金，包括以下重量百分比组成：Al：4.5％～5.75％，Mo：3.0％～5.0％，Zr：2.0％～4.0％，Fe：2.0％～3.0％，Sn：0.3％～2.0％，Cr：0.30％～1.2％，O≤0.15％，其余为Ti和微量杂质，杂质元素总量不超过总重的0.40％。
进一步的，所述Al、Mo、Fe、Cr合金以Al-Mo-Fe-Cr四元合金加入，Sn以Ti-Sn二元合金加入，Zr以海绵锆单质加入，O以TiO2粉末加入，基体Ti为粒度0.83～25.4mm的海绵钛。
进一步的，所述Ti-Sn二元合金中Sn的含量为78％～83％，所述海绵锆单质中Zr含量≥99％。
一种根据上述超强高塑钛合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：电极制备：将上述配比的原料在料仓进行混合，通过连续压制获得无焊接的整体电极；
步骤2：铸锭熔炼：采用真空自耗电弧炉对整体电极进行三次真空自耗熔炼，即得到钛合金铸锭；
步骤3：将步骤2中的钛合金铸锭在电热炉加热保温，进行1火次镦拔锻造得到坯料Ⅰ，镦拔锻比控制在1.0～1.5，锻造完成后坯料Ⅰ空冷，并打磨修伤；
步骤4：将步骤3中得到的坯料Ⅰ在电热炉加热保温，进行3火次镦拔锻造，镦拔锻比控制在1.5～2.0，锻造完成后坯料Ⅱ空冷，并打磨修伤；
步骤5：将步骤4中得到的坯料Ⅱ在电热炉加热保温，进行2火次镦拔锻造，镦拔锻比控制在1.30-1.60，锻造完成后坯料Ⅲ空冷，并打磨修伤；
步骤6：将步骤5中得到的坯料Ⅲ在电热炉加热保温，进行1火次镦拔锻造，锻造完成后坯料Ⅳ水冷，并打磨修伤；
步骤7：将步骤6中得到的坯料Ⅳ在电热炉加热保温，进行对角拔长，获得棒材坯料，锻造完成后棒材坯料空冷；
步骤8：将步骤7中得到的棒材坯料在电热炉加热保温，进行规圆锻造，锻造完成后空冷获得钛合金棒材。
进一步的，步骤1中整体电极采用大型液压机压制成圆柱形直径Φ400mm～Φ460mm的1t～4t的整体电极。
进一步的，所述步骤2中三次真空自耗熔炼的条件为：
一次熔炼，熔前真空度≤5.0Pa，漏气率≤1.2Pa/min，熔炼电压20～32V，熔炼电流8.0～18kA，熔炼结束后的冷却时间3～5h；
二次熔炼，熔前真空度≤3.0Pa，漏气率≤1.0Pa/min，熔炼电压22～35V，熔炼电流12～25kA，熔炼结束后的冷却时间4～6h；
三次熔炼，熔前真空度≤1.0Pa，漏气率≤0.8Pa/min，熔炼电压25～38V，熔炼电流18～28kA，熔炼结束后的冷却时间6～8h。
进一步的，步骤3中电热炉加热至1150℃～1300℃，保温6～8小时。
进一步的，步骤4中电热炉加热至1000℃～1150℃，保温6～8小时。
进一步的，步骤5中电热炉加热至Tβ+(30～60)℃，保温4～5小时。
进一步的，步骤5中镦拔锻造采用换向镦拔和对角拔长的变形方式。
进一步的，步骤6中电热炉加热至Tβ+150℃，保温3～5小时。
进一步的，步骤7中电热炉加热至Tβ-(20～40)℃，保温3～4小时。
进一步的，步骤8中电热炉加热至Tβ-(40～50)℃，保温3～4小时。
进一步的，步骤8中，钛合金棒材规圆锻造整形变形量控制在15％～30％。
进一步的，步骤2中第一次真空熔炼坩埚规格Φ500mm～Φ560mm；第二次真空熔炼坩埚规格Φ560mm～Φ650mm；第三次真空熔炼坩埚规格Φ650mm～Φ720mm。
本发明超强高塑钛合金的抗拉强度为1400～1550MPa，延伸率大于10％，断面收缩率≥20％，高于其他化学成分接近，强度为1100～1400MPa的钛合金材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明以Al-Mo-Fe-Cr四元中间合金添加，有避免了高熔点Mo元素合金化的问题，同时采用多元合金的使用可以减少熔炼偏析等冶金缺陷，提高钛合金铸锭成分均匀性。锻造过程采用高温开坯锻造，既可使铸锭中各元素自由扩散达到二次均匀化的目地，又可配合大变形量有效破碎铸态组织，通过水冷和相变点温度附近温度的锻造，使用合金组织进一步细化。
本发明使用了非传统的整体电极制造方法，解决了成分均匀性问题，主要金属元素成分波动小于0.4％，在成分组成上可以将易偏析元素Fe含量提高至3.0％，并同时加入Zr、Sn、Cr元素，替代价格昂贵的V合金，在增加[Mo]当量提高材料强度的同时增加材料塑性，达到了Ti55531、TC18、TB8钛合金的强度，有效解决了多种金属β稳定元素同时加入易产生的冶金问题。
附图说明
图1为本发明一种超强高塑钛合金及其制备方法实施例1中三次熔炼后的铸锭图。
图2为本发明一种超强高塑钛合金及其制备方法实施例2中Φ190mm棒材图。
图3为本发明一种超强高塑钛合金及其制备方法中棒材取样位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
实施例1：
一种超强高塑钛合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：电极制备。
选取Al-Mo-Fe-Cr比例为5.5：4.3：2.1：0.8的四元合金，电极各元素重量百分数配比为：Al：5.5％，Mo：4.3％，Zr：4.0％，Fe：2.1％，Sn：1.0％，Cr：0.8％，O：0.10％，余量为Ti和微量杂质，杂质元素小于总重量的0.40％。取颗粒状的Al-Mo-Fe-Cr合金、Ti-Sn合金、Zr单质、TiO2粉末与粒度为0.83～25.4mm的海绵钛按比例在料仓进行混合，混合物总重量1t，通过连续压制获得直径Φ400mm无焊接的单重1t的整体电极。
步骤2：铸锭熔炼。
依次采用直径Φ500mm、Φ560mm、Φ650mm坩锅在真空自耗电弧炉对整体电极进行三次真空自耗熔炼，熔炼工艺参数见表1。即得到钛合金铸锭，铸锭冷却后进行冒口缺陷切除和直径减径6～10mm的表面扒皮处理。
表1实施例1主要熔炼工艺参数
Figure BDA0002459125440000041
步骤3：将步骤2中的钛合金铸锭通过燃气加热炉加热至1200℃，保温7小时，进行1火次镦拔锻造，镦拔锻比控制在1.5，锻造完成后将Φ620mm坯料Ⅰ空冷，并打磨修伤；
步骤4：将步骤3获得的Φ620mm坯料Ⅰ通过电阻式加热炉加热至1150℃，保温7小时，进行3火次镦拔锻造得到坯料Ⅱ，镦拔锻比控制在1.5～2.0，锻造完成后将Φ480mm坯料Ⅱ空冷，并打磨修伤；
步骤5：将步骤4获得的坯料Ⅱ在电阻式加热炉加热至Τβ+30℃，保温5小时，进行2火次镦拔锻造，采用换向镦拔和对角拔长的变形方式，镦拔锻比控制在1.30-1.60，锻造完成后将八方Φ480mm坯料Ⅲ空冷，并打磨修伤；
步骤6：将步骤5获得的坯料Ⅲ通过电阻式加热炉加热至Τβ+150℃，保温5小时，进行1火次镦拔锻造，拔长时拔扁方，截面长宽比在1：(2～2.5)，锻造完成后将δ300mm坯料Ⅳ水冷，并打磨修伤。
步骤7：将步骤6获得的δ300mm坯料Ⅳ在电阻式加热炉加热至Τβ-30℃，保温4小时，进行4火次对角拔长，每火次锻比控制在1.30-1.60，获得近似Φ130mm棒材坯料，锻造完成后棒材坯料空冷；
步骤8：将步骤7获得的棒材坯料在电阻式加热炉加热至Τβ-40～50℃，保温3小时，通过整形模具进行1火次规圆锻造，锻造完成空冷，获得Φ110mm钛合金棒材。
钛合金棒材化学成分测试结果见表2，钛合金棒材经试样热处理后，测得的室温静态力学性能见表3。
表2实施例1钛合金棒材化学成分
Figure BDA0002459125440000042
表3实施例1-Φ110mm钛合金棒材室温静态拉伸性能
Figure BDA0002459125440000051
实施例2：
步骤1：电极制备。
选取Al-Mo-Fe-Cr比例为4.6：4.0：2.9：1.2的四元合金，电极各元素重量百分数配比为：Al：4.6％，Mo：4.0％，Zr：3.0％，Fe：2.9％，Sn：1.5％，Cr：1.2％，O：0.13％，余量为Ti和微量杂质，杂质元素小于总重量的0.40％。取颗粒状的Al-Mo-Fe-Cr合金、Ti-Sn合金、Zr单质、TiO2粉末与粒度为0.83～25.4mm的海绵钛按比例在料仓进行混合，混合物总重量2t，通过连续压制获得直径Φ430mm无焊接的单重2t的整体电极。
步骤2：铸锭熔炼。
依次采用直径Φ560mm、Φ650mm、Φ720mm坩锅在真空自耗电弧炉对整体电极进行三次真空自耗熔炼，熔炼工艺参数见表4。即得到钛合金铸锭，钛合金铸锭冷却后进行冒口缺陷切除和直径减径6～10mm的表面扒皮处理。
表4实施例2主要熔炼工艺参数
Figure BDA0002459125440000052
步骤3：将步骤2中的钛合金铸锭通过燃气加热炉加热至1200℃，保温7小时，进行1火次镦拔锻造得到坯料Ⅰ，镦拔锻比控制在1.5，锻造完成后将Φ690mm坯料Ⅰ空冷，并打磨修伤；
步骤4：将步骤3获得的Φ690mm坯料Ⅰ通过电阻式加热炉加热至1150℃，保温7小时，进行3火次镦拔锻造得到坯料Ⅱ，每火镦拔锻比控制在1.5～2.0，锻造完成后将Φ540mm坯料Ⅱ空冷，并打磨修伤；
步骤5：将步骤4获得的坯料Ⅱ在电阻式加热炉加热至Τβ+30℃，保温6小时，进行2火次镦拔锻造得到坯料Ⅲ，采用换向镦拔和对角拔长的变形方式，镦拔锻比控制在1.30-1.60，锻造完成后将八方540mm坯料Ⅲ空冷，并打磨修伤；
步骤6：将步骤5获得的坯料Ⅲ通过电阻式加热炉加热至Τβ+150℃，保温5小时，进行1火次镦拔锻造得到坯料Ⅳ，拔长时拔扁方，截面长宽比在1：(2～2.5)，锻造完成后将δ330mm坯料Ⅳ水冷，并打磨修伤。
步骤7：将步骤6获得的δ330mm坯料Ⅳ在电阻式加热炉加热至Τβ-30℃，保温4小时，进行6火次对角拔长，每火次锻比控制在1.30-1.60，获得近似Φ200mm棒材坯料，锻造完成后棒材坯料空冷；
步骤8：将步骤7获得的棒材坯料在电阻式加热炉加热至Τβ-40～50℃，保温3小时，通过整形模具进行1火次规圆锻造，锻造完成空冷，获得Φ190mm钛合金棒材。
钛合金棒材化学成分测试结果见表5，钛合金棒材经试样热处理后，测得的室温静态力学性能见表6。
表5实施例2钛合金棒材化学成分
Figure BDA0002459125440000061
表6实施例2-Φ190mm钛合金棒材室温静态拉伸性能
Figure BDA0002459125440000062
实施例3：
步骤1：电极制备。
选取Al-Mo-Fe-Cr比例为5.7：4.6：2.5：1.9的四元合金，电极各元素重量百分数配比为：Al：5.7％，Mo：4.6％，Zr：3.9％，Fe：2.5％，Sn：1.2％，Cr：0.4％，O：0.13％，余量为Ti和微量杂质，杂质元素小于总重量的0.40％。取颗粒状的Al-Mo-Fe-Cr合金、Ti-Sn合金、Zr单质、TiO2粉末与粒度为0.83～25.4mm的海绵钛按比例在料仓进行混合，混合物总重量4t，通过连续压制获得直径Φ460mm无焊接的单重4t的整体电极。
步骤2：铸锭熔炼。
依次采用直径Φ560mm、Φ650mm、Φ720mm坩锅在真空自耗电弧炉对整体电极进行三次真空熔炼，熔炼工艺参数见表7。即得到钛合金铸锭，钛合金铸锭冷却后进行冒口缺陷切除和直径减径6～10mm的表面扒皮处理。
表7实施例3主要熔炼工艺参数
Figure BDA0002459125440000071
步骤3：将步骤2获得的钛合金铸锭通过燃气加热炉加热至1200℃，保温7小时，进行1火次镦拔锻造得到坯料Ⅰ，镦拔锻比控制在1.5，锻造完成后将Φ690mm坯料Ⅰ空冷，并打磨修伤；
步骤4：将步骤3获得的Φ690mm坯料Ⅰ通过电阻式加热炉加热至1150℃，保温7小时，进行3火次镦拔锻造得到坯料Ⅱ，每火镦拔锻比控制在1.5～2.0，锻造完成后将Φ560mm坯料Ⅱ空冷，并打磨修伤；
步骤5：将步骤4获得的坯料Ⅱ在电阻式加热炉加热至Τβ+30℃，保温5小时，进行2火次镦拔锻造，采用换向镦拔和对角拔长的变形方式，镦拔锻比控制在1.30-1.60，得到坯料Ⅲ，锻造完成后将八方Φ560mm坯料Ⅲ空冷，并打磨修伤；
步骤6：将步骤5获得的坯料Ⅲ通过电阻式加热炉加热至Τβ+150℃，保温5小时，进行1火次镦拔锻造，拔长时拔扁方，截面长宽比在1：(2～2.5)，得到坯料Ⅳ，锻造完成后将δ350mm坯料Ⅳ水冷，并打磨修伤。
步骤7：将步骤6获得的δ350mm坯料Ⅳ在电阻式加热炉加热至Τβ-30℃，保温4小时，进行8火次对角拔长，每火次锻比控制在1.30-1.60，获得近似Φ320mm棒材坯料，锻造完成后棒材坯料空冷；
步骤8：将步骤7获得的棒材坯料在电阻式加热炉加热至Τβ-(40～50)℃，保温3小时，通过整形模具进行1火次规圆锻造，锻造完成空冷，获得Φ300mm钛合金棒材。
钛合金棒材化学成分测试结果见表8，钛合金棒材经试样热处理后，测得的室温静态力学性能见表9。
表8实施例3钛合金棒材化学成分
Figure BDA0002459125440000072
表9实施例3-Φ300mm钛合金棒材室温静态拉伸性能
Figure BDA0002459125440000081
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超强高塑钛合金，其特征在于，包括以下重量百分比组成：Al：4.5％～5.75％，Mo：3.0％～5.0％，Zr：2.0％～4.0％，Fe：2.0％～3.0％，Sn：0.3％～2.0％，Cr：0.30％～1.2％，O≤0.15％，其余为Ti和微量杂质，杂质元素总量不超过总重的0.40％。
2.如权利要求1所述一种超强高塑钛合金，其特征在于：所述Al、Mo、Fe、Cr合金以Al-Mo-Fe-Cr四元合金加入，Sn以Ti-Sn二元合金加入，Zr以海绵锆单质加入，O以TiO2粉末加入，基体Ti为粒度0.83～25.4mm的海绵钛。
3.一种根据权利要求1或2所述超强高塑钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：电极制备：将上述配比的原料在料仓进行混合，通过连续压制获得无焊接的整体电极；
步骤2：铸锭熔炼：采用真空自耗电弧炉对整体电极进行三次真空自耗熔炼，即得到钛合金铸锭；
步骤3：将步骤2中的钛合金铸锭在电热炉加热保温，进行1火次镦拔锻造得到坯料Ⅰ，镦拔锻比控制在1.0～1.5，锻造完成后坯料Ⅰ空冷，并打磨修伤；
步骤4：将步骤3中得到的坯料Ⅰ在电热炉加热保温，进行3火次镦拔锻造，镦拔锻比控制在1.5～2.0，锻造完成后坯料Ⅱ空冷，并打磨修伤；
步骤5：将步骤4中得到的坯料Ⅱ在电热炉加热保温，进行2火次镦拔锻造，镦拔锻比控制在1.30-1.60，锻造完成后坯料Ⅲ空冷，并打磨修伤；
步骤6：将步骤5中得到的坯料Ⅲ在电热炉加热保温，进行1火次镦拔锻造，锻造完成后坯料Ⅳ水冷，并打磨修伤；
步骤7：将步骤6中得到的坯料Ⅳ在电热炉加热保温，进行对角拔长，获得棒材坯料，锻造完成后棒材坯料空冷；
步骤8：将步骤7中得到的棒材坯料在电热炉加热保温，进行规圆锻造，锻造完成后空冷获得钛合金棒材。
4.如权利要求3所述一种超强高塑钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤2中三次真空自耗熔炼的条件为：
一次熔炼，熔前真空度≤5.0Pa，漏气率≤1.2Pa/min，熔炼电压20～32V，熔炼电流8.0～18kA，熔炼结束后的冷却时间3～5h；
二次熔炼，熔前真空度≤3.0Pa，漏气率≤1.0Pa/min，熔炼电压22～35V，熔炼电流12～25kA，熔炼结束后的冷却时间4～6h；
三次熔炼，熔前真空度≤1.0Pa，漏气率≤0.8Pa/min，熔炼电压25～38V，熔炼电流18～28kA，熔炼结束后的冷却时间6～8h。
5.如权利要求3所述一种超强高塑钛合金的制备方法，其特征在于：步骤3中电热炉加热至1150℃～1300℃，保温6～8小时。
6.如权利要求3所述一种超强高塑钛合金的制备方法，其特征在于：步骤4中电热炉加热至1000℃～1150℃，保温6～8小时。
7.如权利要求3所述一种超强高塑钛合金的制备方法，其特征在于：步骤5中电热炉加热至Tβ+(30～60)℃，保温4～5小时。
8.如权利要求3所述一种超强高塑钛合金的制备方法，其特征在于：步骤6中电热炉加热至Tβ+150℃，保温3～5小时。
9.如权利要求3所述一种超强高塑钛合金的制备方法，其特征在于：步骤7中电热炉加热至Tβ-(20～40)℃，保温3～4小时。
10.如权利要求3所述一种超强高塑钛合金的制备方法，其特征在于：步骤8中电热炉加热至Tβ-(40～50)℃，保温3～4小时。
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