CN111349816A

CN111349816A - 一种Ti-1300F新型高强高韧钛合金及其制备方法及其制备方法

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Publication number: CN111349816A
Application number: CN202010287452.8A
Authority: CN
Inventors: 岳旭; 叶红川; 乔恩利; 李峰丽; 曹瑞; 王幸运; 张晋; 同晓乐; 刘洪贵; 张起; 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‑1300F新型高强高韧钛合金及其制备方法，其Ti‑1300F新型高强高韧钛合金的原料组分的重量份比组成为：Al：3.5％～5.0％，Mo：4.0％～6.0％，V：2.5％～4.0％，Cr：4.5％～6.0％，Fe：0.6％～1.5％；所述余量为Ti和其他不可避免的杂质，一种Ti‑1300F新型高强高韧钛合金制备方法，包括以下步骤：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锻造，累计变形量大于80%，制成棒材；步骤五：对步骤四所制得的棒材进行热处理；本发明在保证钛合金具有60MPa·m^1/2以上断裂韧性的基础上，其室温抗拉强度可达1300MPa以上，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-1300F新型高强高韧钛合金及其制备方法及其制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金技术领域，具体为一种Ti-1300F新型高强高韧钛合金及其制备方法及其制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性强、生物相容性优异等优点，被广泛应用于航空航天、舰船、兵器、海洋工程、汽车、医药、电子等领域。近年来，随着航空航天工业的蓬勃发展，大型钛合金结构件得到了广泛的应用，针对航空航天大型化、轻量化、整体化的设计要求，对钛合金的强度、韧性等都提出来更高的需求。因此，为了能够满足航空航天新型号设计对高强度、高韧性的新需求，研制具有自主知识产权的新型高强高韧钛合金势在必行。

目前，国内外主要的代表性高强高韧钛合金有Ti-10V-2Fe-3Al（Ti-1023），Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe（BT22），Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr（TB2），Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr（TB10）等。

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·m^1/2，有较好的强度、塑性和韧性匹配关系。Ti-1023合金含有2％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，VT22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。

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，KIC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Ti-1300F新型高强高韧钛合金及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的，现有钛合金无法满足高抗拉强度与高断裂韧性要求的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种Ti-1300F新型高强高韧钛合金，其Ti-1300F新型高强高韧钛合金的原料组分的重量份比组成为：本发明高强高韧钛合金的制备方法，包括采用海绵钛、Al豆、Al-Mo、Al-V、金属铬、Ti-32Fe等中间合金配料等按设计成分分层布料压制电极，用常规真空自耗熔炼炉二次熔炼得到铸锭，其合金成分的重量百分比为Al：3.5％～5.0％， Mo：4.0％～6.0％，V ：2.5％～4.0％，Cr：4.5％～6.0％，Fe：0.6％～1.5％；

所述余量为Ti和其他不可避免的杂质。

本发明是以应用技术成熟的合金系为基础，根据钼当量对合金性能影响，研制开发出一种新的近β型钛合金。合金设计时，采取多元强化的方式，通过对合金中α稳定元素和β稳定元素含量的控制，来控制其中α相与β相的比例，使合金处于双相合金序列，这种特点即保证了合金具有较高的强度，也保证合金具有良好的塑性和断裂韧性。

Mo和V均是钛合金中常见的同晶型beta稳定元素，在提高合金的强度的同时可以保持合金具有较好的塑形。Cr和Fe与α、β相均溶解，并且存在共析反应，Cr和Fe主要起固溶强化作用。Cr可提高合金的塑性、韧性和淬透性，Fe可以加快其时效响应速度。Al元素作为α相稳定元素可以提高合金的强度，也可以防止ω相析出引起的脆性。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、在合金成分上选择添加Al、Mo、Fe、V和Cr元素，采取多元强化的方式，可有效避免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；

2、使用少量Fe元素代替V元素，可以在降低β斑产生倾向的前提下，降低合金成本；

3、由于近β合金中合金元素含量较高，且含有易偏析元素Cr和Fe。为进一步提高合金元素分布均匀性，保障棒材组织、性能均匀。本发明在铸锭锻造变形前增加了高温长时间均质化处理。

4、本发明的新型高强高韧钛合金制备方法简单，使用钛合金常用原料和中间合金，采用常规的钛合金制备方法即可生产。

一种Ti-1300F新型高强高韧钛合金的制备方法，其制备方法包括以下步骤：

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β单相区和α+β两相区锻造，累计变形量大于80%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：所属铸锭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：所述铸锭锻造前加热至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步骤四的锻造过程中其开坯锻造和中间锻造初锻温度为1000～1180℃，终锻温度＞820℃；成品锻造初锻温度为750～1000℃，终锻温度＞650℃。

具体实施方式

下面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。

本发明提供一种技术方案：一种Ti-1300F新型高强高韧钛合金，其Ti-1300F新型高强高韧钛合金的原料组分的重量份比组成为：

Al：3.5％～5.0％， Mo：4.0％～6.0％，V ：2.5％～4.0％，Cr：4.5％～6.0％，Fe：0.6％～1.5％；

所述余量为Ti和其他不可避免的杂质。

实施例一：

采用工业0级海绵钛，Al-Mo、Al-V、Ti-32Fe中间合金，金属Cr，TiO₂为原料，按照各元素成分的质量百分数，对元素成分进行称量配料，各元素成分重量份比组成为：

Al：3.5％；

Mo：4.0％；

V ：4.0％；

Cr：4.0％；

Fe：1.5％；

O ：0.10％。

余量为Ti和其他不可避免的杂质。

本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤二：对步骤一所制得的电极进行三次真空自耗电弧熔炼，制成铸锭；

步骤三：对步骤二所制得的铸锭在1150℃保温16h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。

实施例二：

Al：4.0％；

Mo：4.0％；

V ：2.5％；

Cr：6.0％；

Fe：1.0％；

O ：0.10％。

余量为Ti和其他不可避免的杂质。

本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤五：对步骤四所制得的棒材进行热处理。

实施例三：

Al：4.0％；

Mo：5.0％；

V ：3.0％；

Cr：5.0％；

Fe：1.0％；

O ：0.10％。

余量为Ti和其他不可避免的杂质。

本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤五：对步骤四所制得的棒材进行热处理。

实施例四：

Al：5.0％；

Mo：6.0％；

V ：4.0％；

Cr：4.5％；

Fe：0.6％；

O ：0.10％。

余量为Ti和其他不可避免的杂质。

本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤五：对步骤四所制得的棒材进行热处理。

综上所述：本发明提出一种Ti-1300F新型高强高韧钛合金及其制备方法及其制备方法通过根据实施例一的配比方法得出的新型钛合金的抗拉强度Rm(MPa) 屈服强度Rp0.2(MPa) 伸长率A(%) 断面收缩率(%) 断裂韧性KIC(MPa·m^1/2) 分别为1355 1187 5.0 9.062.5 ，通过根据实施例二的配比方法得出的新型钛合金的抗拉强度Rm(MPa) 屈服强度Rp0.2(MPa) 伸长率A(%) 断面收缩率(%) 断裂韧性KIC(MPa·m^1/2) 分别为1320 1212 5.511.0 65.3，通过根据实施例三的配比方法得出的新型钛合金的抗拉强度Rm(MPa) 屈服强度Rp0.2(MPa) 伸长率A(%) 断面收缩率(%) 断裂韧性KIC(MPa·m^1/2) 分别为1335 12056.5 11.0 66.2，通过根据实施例三的配比方法得出的新型钛合金的抗拉强度Rm(MPa) 屈服强度Rp0.2(MPa) 伸长率A(%) 断面收缩率(%) 断裂韧性KIC(MPa·m^1/2) 分别为13251230 7.0 11.5 61.7。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种Ti-1300F新型高强高韧钛合金，其特征在于：其Ti-1300F新型高强高韧钛合金的原料组分的重量份比组成为：

Al：3.5％～5.0％， Mo：4.0％～6.0％，V ：2.5％～4.0％，Cr：4.5％～6.0％，Fe：0.6％～1.5％；所述余量为Ti和其他不可避免的杂质。

2.所述钛合金的抗拉强度不低于1300MPa，断裂韧性不低于60MPa·m^1/2。

3.一种Ti-1300F新型高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于：其制备方法包括以下步骤：

步骤二：对步骤一所制得的电极进行熔炼，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；

步骤五：对步骤四所制得的棒材进行热处理。

4.根据权利要求2所述的一种Ti-1300F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。

5.根据权利要求2所述的一种Ti-1300F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。

6.根据权利要求2所述的一种Ti-1300F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步骤四的锻造过程中其开坯锻造和中间锻造初锻温度为1000～1180℃，终锻温度＞820℃；成品锻造初锻温度为750～1000℃，终锻温度＞650℃。