CN111349815A

CN111349815A - 一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金及其制备方法

Info

Publication number: CN111349815A
Application number: CN202010286599.5A
Authority: CN
Inventors: 岳旭; 叶红川; 同晓乐; 曹瑞; 王幸运; 李峰丽; 张晋; 乔恩利; 张起; 刘洪贵; 梁飞龙
Original assignee: Xinjiang Xiangrun New Material Technology Co ltd
Current assignee: Xinjiang Xiangrun New Material Technology Co ltd
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2020-04-13
Publication date: 2020-06-30

Abstract

本发明公开了一种Ti‑1300Z新型高强高韧钛合金，该合金为Ti‑Al‑Mo‑V‑Cr‑Zr系合金，其各组分的重量百分比为：Al：3.5～5.0%，Mo：4.0～6.0%，V：4.0～5.5%，Cr：5.5～6.5%，Zr：0.3～1.0%，余量为Ti和其他不可避免的杂质。一种Ti‑1300Z新型高强高韧钛合金的制备方法，包含以下步骤：步骤一：按重量百分比对各组分进行称重，并均匀混合后压制成电极；步骤二：对步骤一所制得的电极进行真空自耗熔炼，制成铸锭；步骤三：对步骤二所制得的铸锭进行高温均质化处理；步骤四：对步骤三所制得的铸锭进行均质化处理后，锻造成棒材/锻件；步骤五、对步骤四所制得的棒材/锻件进行热处理；本发明的强度高、塑‑韧性好，同时屈服强度、伸长率等物理性能均达到良好匹配，在航空、航天、舰船、海洋工程、汽车等领域具有良好的技术应用与市场前景。

Description

一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金及其制备方法，具体是一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、良好的高低温性能和生物兼容性等特点，因此作为理想的结构材料和功能材料被大量应用于航空航天、舰船制造、石油化工、海洋工程、生物医学和建筑装饰等领域，且获得了良好的经济和社会效益。由于钛合金作为轻质结构材料，可以降低飞机自重、提高结构效益，因此航空工业是最早研制和应用钛合金的领域。随着航空工业对低密度、高强度材料的需求日益迫切，高强高韧钛合金应运而生，逐渐取代某些部位上的钢铁、铝合金等材料，成为宇航工业中大型结构件的理想材料。

Ti-1023合金是由美国Timet公司于1971年研制开发，并于1972年申请专利，其专利号：US3802877A，名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al，是迄今为止应用最为广泛的一种高强高韧近β型钛合金。Ti-1023合金经热处理强化其抗拉强度可达到965-1310MPa，断裂韧性可达到35-90MPa·m1/2，有较好的强度、塑性和韧性匹配关系。Ti-1023合金含有2％的慢共析β稳定元素-Fe元素Fe元素，在熔炼时易因成分偏析产生“β斑”，使合金组织不均匀，降低塑性及疲劳性能。另外，Ti-1023合金的力学性能对显微组织及其热处理极为敏感，时效温度低于500°C时，极易产生脆性ω相而使合金的塑性急剧下降。

BT22合金是前苏联航空材料研究院于20世纪70年代研制开发的一种高合金化、高强度近β型钛合金，名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。BT22合金在退火状态下，强度可达到1080MPa，经热处理强化该合金强度可达到1100～1300MPa，但很难进一步提高其强度。与Ti-1023合金相比，BT22合金Fe和V元素含量减少，通过添加Mo和Cr元素来提高合金淬透性，稳定β相。

VST5553合金是俄罗斯以VT22合金为基础上，减少Fe元素含量，提高Cr元素含量而研制开发的一种新型高强高韧亚稳β型钛合金，名义成分Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe。与Ti-1023和VT22合金对比，Ti-5553合金Fe含量较少，使合金偏析敏感度降低，但不降低强度，其强度高出Ti-1023合金约15％。

典型高强高韧钛合金力学性能实测数据见表1。

表1

由表1可见，受合金化程度影响，表中所示的这几种高强高韧钛合金抗拉强度级别在1200 MPa左右时，K_IC约46~65 MPa·m^1/2。现有的钛合金牌号还不能满足现代工业对高强高韧钛合金的需求。随着航空航天等领域对钛合金性能要求的提高，发展Rm≥1300MPa，KIC≥60MPa·m^1/2具有自主知识产权的新型高强高韧钛合金已经成为高强高韧钛合金发展的主要趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度、塑-韧性好，可加工性优异的新型钛合金及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金，该合金为Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr系合金，其各组分的重量百分比为：Al：3.5～5.0%，Mo：4.0～6.0%，V：4.0～5.5%，Cr：5.5～6.5%，Zr：0.3～1.0%，余量为Ti和其他不可避免的杂质。上述各成分满足[Mo]=15.6，所述钛合金的抗拉强度不低于1300MPa,延伸率不低于4%，断裂韧性不低于60MPa·m^1/2。

一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金的制备方法，包含以下步骤：

步骤一：按重量百分比对各组分进行称重，并均匀混合后压制成电极；

步骤二：对步骤一所制得的电极进行真空自耗熔炼，制成铸锭；

步骤三：对步骤二所制得的铸锭进行高温均质化处理；

步骤四：对步骤三所制得的铸锭进行开坯锻造，累计变形量至80～85%后，制成棒材；

步骤五：对步骤四所制得的棒材进行热处理。

作为本发明进一步的方案：步骤二中熔炼采用的设备为真空自耗电弧炉，熔炼次数≥2次。

作为本发明进一步的方案：步骤三中铸锭锻造前加热至1050～1180℃，保温12～24h进行均质化处理。

作为本发明进一步的方案：步骤四的锻造过程中其初锻温度为1050～1180℃，终锻温度＞820℃。

作为本发明进一步的方案：步骤五中所进行的热处理包括固溶处理与时效处理。

作为本发明进一步的方案：所述固溶处理的温度为800～920℃，所述固溶处理的时间为1～4h。

作为本发明再进一步的方案：所述时效处理的温度为460～560℃，所述时效处理的时间为6～24h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的强度高、韧性好，同时屈服强度、伸长率等物理性能均达到良好匹配，在航空、航天、舰船、海洋工程、汽车等领域具有良好的技术应用与市场前景。

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楚、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。

一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金，该合金为Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr系合金，名义成分为Ti-4Al-5Mo-5V-6Cr-1Zr，其各组分的重量百分比为：Al：3.5～5.0%，Mo：4.0～6.0%，V：4.0～5.5%，Cr：5.5～6.5%，Zr：0.3～1.0%，余量为Ti和其他不可避免的杂质。

步骤三：对步骤二所制得的铸锭进行高温均质化处理；

步骤五：对步骤四所制得的棒材进行热处理。

步骤二中熔炼采用的设备为真空自耗电弧炉，熔炼次数≥2次。

步骤三中铸锭锻造前加热至1050～1180℃，保温12～24h进行均质化处理。

步骤四的锻造过程中其初锻温度为1050～1180℃，终锻温度＞820℃。

步骤五中所进行的热处理包括固溶处理与时效处理。

所述固溶处理的温度为800～920℃，所述固溶处理的时间为1～4h。

所述时效处理的温度为460～560℃，所述时效处理的时间为6～24h。

实施例一：本实施例由以下质量百分含量的成分组成：Al3.5％，Mo6.0％，V4.0％，Cr5.5％，Zr0.3％，余量为Ti和其他不可避免的杂质。

以0级海绵钛、铝豆、铝钼合金、铝钒合金电解铬作为原材料，按上述成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼炉将自耗电极熔炼三次制备得到合金铸锭，合金铸锭经过1150℃、16h的均质化处理及表面处理去除表面氧化层后，通过自由锻造机对其进行开坯锻造以制得棒材，并保证其初锻温度不低于1060℃，终锻温度不低于840℃，之后对制得的棒材进行热处理，热处理工序为先880℃固溶处理2h后空冷至室温，再500℃时效处理8h后空冷至室温得到成品。

对上述成品进行取样后按照国标GB/T228.1-2010和GB4161-2007方法分别进行室温拉伸、断裂韧性测试，测定合金强度、塑性和断裂韧性，其结果如表2所示，包括合金的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、伸长率A、断面收缩率Z和断裂韧性K_IC。

表2

抗拉强度Rm(MPa)	屈服强度Rp0.2(MPa)	伸长率A(%)	断面收缩率Z(%)	断裂韧性K<sub>IC</sub>(MPa·m1/2)
					1315	1240	5.5	9	66.2

实施例二：本实施例由以下质量百分含量的成分组成：Al4.0％，Mo5.0％，V5.0％，Cr6.0％，Zr0.5％，余量为Ti和其他不可避免的杂质。

以0级海绵钛、铝豆、铝钼合金、铝钒合金电解铬作为原材料，按上述成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼炉将自耗电极熔炼三次制备得到合金铸锭，合金铸锭经过1150℃、16h的均质化处理及表面处理去除表面氧化层后，通过自由锻造机对其进行开坯锻造以制得棒材，并保证其初锻温度不低于1060℃，终锻温度不低于840℃，之后对制得的棒材进行热处理，热处理工序为先890℃固溶处理2h后空冷至室温，再520℃时效处理8h后空冷至室温得到成品。

对上述成品进行取样后按照国标GB/T228.1-2010和GB4161-2007方法分别进行室温拉伸、断裂韧性测试，测定合金强度、塑性和断裂韧性，其结果如表3所示，包括合金的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、伸长率A、断面收缩率Z和断裂韧性K_IC。

表3

抗拉强度Rm(MPa)	屈服强度Rp0.2(MPa)	伸长率A(%)	断面收缩率Z(%)	断裂韧性K<sub>IC</sub>(MPa·m1/2)
					1340	1195	7.0	11	69.7

实施例三：本实施例由以下质量百分含量的成分组成：Al5.0％，Mo4.0％，V5.5％，Cr6.5％，Zr1.0％，余量为Ti和其他不可避免的杂质。

以0级海绵钛、铝豆、铝钼合金、铝钒合金电解铬作为原材料，按上述成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼炉将自耗电极熔炼三次制备得到合金铸锭，合金铸锭经过1150℃、16h的均质化处理及表面处理去除表面氧化层后，通过自由锻造机对其进行开坯锻造以制得棒材，并保证其初锻温度不低于1060℃，终锻温度不低于840℃，之后对制得的棒材进行热处理，热处理工序为先880℃固溶处理1h后空冷至室温，再520℃时效处理8h后空冷至室温得到成品。

对上述成品进行取样后按照国标GB/T228.1-2010和GB4161-2007方法分别进行室温拉伸、断裂韧性测试，测定合金强度、塑性和断裂韧性，其结果如表4所示，包括合金的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、伸长率A、断面收缩率Z和断裂韧性K_IC。

表4

抗拉强度Rm(MPa)	屈服强度Rp0.2(MPa)	伸长率A(%)	断面收缩率Z(%)	断裂韧性K<sub>IC</sub>(MPa·m1/2)
					1325	1225	65	11	68.4

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金，其特征在于：该合金为Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr系合金，其各组分的重量百分比为：Al：3.5～5.0%，Mo：4.0～6.0%，V：4.0～5.5%，Cr：5.5～6.5%，Zr：0.3～1.0%，余量为Ti和其他不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤三：对步骤二所制得的铸锭进行高温均质化处理；

步骤四：对步骤三所制得的铸锭依次进行开坯锻造、中间锻造、成品锻造，累计变形量至80～85%后，制成棒材；

步骤五：对步骤四所制得的棒材进行热处理。

3.根据权利要求2所述的一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于：步骤二中熔炼采用的设备为真空自耗电弧炉，熔炼次数≥2次。

4.根据权利要求2所述的一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于：步骤三中铸锭锻造前加热至1050～1180℃，保温12～24h进行均质化处理。

5.根据权利要求2所述的一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于：步骤四的锻造过程中其初锻温度为1050～1180℃，终锻温度＞820℃。

6.根据权利要求2所述的一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于：步骤五中所进行的热处理包括固溶处理与时效处理。

7.根据权利要求6所述的一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理的温度为800～920℃，所述固溶处理的时间为1～4h。

8.根据权利要求6所述的一种Ti-1300Z新型高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理的温度为460～560℃，所述时效处理的时间为6～24h。