CN111455214B - 一种舰船用铸态Ti6321钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种舰船用铸态Ti6321钛合金及其制备方法，所述方法利用变形态Ti6321钛合金和其他原料熔炼Si元素含量在0.13%~0.17%的铸造态Ti6321合金铸锭，然后浇铸成铸件或试棒，进行热等静压处理和消应力退火，随后进行固溶热处理，得到所需的产品。本发明所述方法制备的铸态Ti6321钛合金可以达到舰船用高温结构件所要求的力学性能。本发明成功解决了铸造态Ti6321合金应用于舰船上高温结构件的问题，获得了室温性能与高温性能都满足使用要求的铸件产品，为舰船领域的钛合金材料应用提供了新的方案。

Description

一种舰船用铸态Ti6321钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于钛合金铸造领域，尤其涉及一种舰船用铸态Ti6321钛合金及其制备方法。
背景技术
Ti6321属于近α型钛合金，其名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，由于Ti6321具有比强度高、耐腐蚀性能好、焊接性能优良、抗疲劳性能好，可应用与化工腐蚀环境下的泵体、阀体等结构件，也可应用与压力容器、舰船用受力结构件等领域，近年来随着舰船钛合金多样化发展的需求，铸态Ti6321钛合金也应用到了舰船的高温结构件部位。
常规铸态Ti6321钛合金浇铸的铸件经热等静压处理和消应力退火处理后，铸件的室温力学性能可以达到表1的要求，但是高温力学性能还不能达到表2的要求，即不能满足舰船高温结构件的使用要求。
Figure 78481DEST_PATH_IMAGE001
造成上述情况的原因在于：铸态Ti6321钛合金中的Si元素含量按照杂质元素进行管控，一般Si元素含量不超过0.05%，因此其高温力学性能相对较低，不能达到标准要求。
因此，Ti6321钛合金中增加了适量Si，以提高Ti6321合金在高温情况下的强度，但舰船领域对钛合金的冲击韧性要求也相对较高，而Si元素添加会降低铸造态Ti6321合金的冲击韧性，因此有必要研究一种舰船用铸态Ti6321钛合金及其制备方法，使得铸态Ti6321钛合金可以兼顾冲击韧性与高温强度的最佳匹配。
发明内容
本发明的目的是提供一种舰船用铸态Ti6321钛合金及其制备方法，通过成分优化及热处理工艺，优化解决铸态Ti6321钛合金中冲击韧性与高温蠕变强度的最佳匹配的问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种舰船用铸态Ti6321钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，采用变形态Ti6321钛合金和其他原料熔炼Si元素含量在0.13%~0.17%的铸造态Ti6321合金铸锭，熔炼后，按照重量百分比，铸锭其他元素分别为6.2%的Al、3.0%Nb、2.5%Zr和1.0%的Mo，余量为Ti；
步骤二，将步骤一所得铸造态Ti6321合金铸锭浇铸成铸件或试棒，再对浇铸的铸件或试棒热等静压处理和消应力退火；
步骤三，将经步骤二处理的铸件及试棒送入真空固熔炉加热至1015℃，然后保温1.5h，再进行充氩冷却，冷却速度控制在35℃/min～45℃/min之间，当温度低于200℃时进行放气冷却，然后温度低于40℃时出炉，得到所需产品。
所述热等静压处理的方法是：加热至910℃～930℃，保温2h，随炉冷却至300℃以下出炉。
所述消应力退火的温度是580℃，保温时间是1h，随炉冷却至100℃以下出炉。
步骤一中所述其他原料包括工业纯铝、海绵锆、Al-Nb、Al-Mo和Al-Si。
所述Al-Nb的牌号为AlNb50。
所述Al-Mo的牌号为AlMo60。
所述Al-Si的牌号为AlSi10。
所述变形态Ti6321钛合金的牌号为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，其中化学元素的重量百分比为：Al：6.0%、Nb：3.0%、Zr：2.0%、Mo：1.0%，余量为Ti。
一种舰船用铸态Ti6321钛合金，由以上所述的制备方法制备而得，其中Si元素在钛合金材料中的含量占比为0.13%~0.17%，钛合金材料的冲击韧性大于42J，550℃下的抗拉强度大于500MPa。
本发明的有益效果：本发明通过成分优化及热处理工艺优化，解决了铸态Ti6321钛合金中冲击韧性与高温蠕变强度的最佳匹配的问题。采用该方法生产的铸件可以达到表1及表2的力学性能要求，满足了舰船用高温结构件的材料需求。
本发明通过加热至1015℃（β相变点以上20~30℃），然后急冷进行固溶处理，以改善铸态Ti6321钛合金的组织状态，细化微观组织的片层间距，提升室温冲击韧性。
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。
一种舰船用铸态Ti6321钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，采用变形态Ti6321钛合金和其他原料熔炼Si元素含量在0.13%~0.17%的铸造态Ti6321合金铸锭，熔炼后，按照重量百分比，铸锭其他元素分别为6.2%的Al、3.0%Nb、2.5%Zr和1.0%的Mo，余量为Ti；
步骤二，将步骤一所得铸造态Ti6321合金铸锭浇铸成铸件及试棒，再对浇铸的铸件和试棒热等静压处理和消应力退火；
步骤三，将经步骤二处理的铸件及试棒送入真空固熔炉加热至1015℃，然后保温1.5h，再进行充氩冷却，冷却速度控制在35℃/min～45℃/min之间，当温度低于200℃时进行放气冷却，然后温度低于40℃时出炉，得到所需产品。
所述热等静压处理的方法是：加热至910℃～930℃，保温2h，随炉冷却至300℃以下出炉。
所述消应力退火的温度是580℃，保温时间是1h，随炉冷却至100℃以下出炉。
步骤一中所述其他原料包括工业纯铝、海绵锆、Al-Nb、Al-Mo和Al-Si。
所述Al-Nb的牌号为AlNb50。
所述Al-Mo的牌号为AlMo60。
所述Al-Si的牌号为AlSi10。
所述变形态Ti6321钛合金的牌号为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，其中化学元素的重量百分比为：Al：6.0%、Nb：3.0%、Zr：2.0%、Mo：1.0%，余量为Ti。
一种舰船用铸态Ti6321钛合金，由以上所述的制备方法制备而得，其中Si元素在钛合金材料中的含量占比为0.13%~0.17%，钛合金材料的冲击韧性大于42J，550℃下的抗拉强度大于500MPa。
实施例：本实施例是本发明所述方法制备的舰船用铸态Ti6321钛合金的应用，将所制备的钛合金材料浇铸成舰船用的阀体、阀座和阀盖，以及40根试棒，试棒的尺寸为Φ15×120mm，阀体、阀座和阀盖的数量和尺寸详见表3。
Figure 942532DEST_PATH_IMAGE002
本实施例中所制备的铸态Ti6321钛合金中Si元素含量为0.14%，然后采用真空凝壳炉进行浇铸，铸造模具为机加工石墨型，得到上述阀体、阀座、阀盖和试棒，然后，经热等静压处理（910℃～930℃，保温2h，随炉冷却至300℃以下出炉），再进行消应力退火（580℃，保温1h，随炉冷却至100℃以下出炉），接着进行固溶热处理，热处理参数为：加热至1015℃，然后保温1.5h，再进行充氩冷却，冷却速度需要控制在35℃/min～45℃/min之间，当温度低于200℃时进行放气冷却，然后温度低于40℃时出炉。
随机抽取10根制备的试棒，和所制备的阀体、阀座、阀盖一共40件样品，一同逐一进行室温力学性能的检测，检测结果见表4。
Figure 22483DEST_PATH_IMAGE004
在所制备的阀体、阀座、阀盖和试棒中，随机抽取14件样品，在550℃条件下，进行高温力学性能的测试，主要测试项目是抗拉强度，测试结果见表5。
Figure DEST_PATH_IMAGE005
从表4、表5的测试结果可以看出，本发明的方法成功解决了铸造态Ti6321合金应用于舰船上高温结构件的问题，获得了室温性能与高温性能都满足使用要求的铸件产品，为舰船领域的钛合金材料应用提供了新的方案。
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 (7)

1.一种舰船用铸态Ti6321钛合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，采用变形态Ti6321钛合金和其他原料熔炼Si元素含量在0.13%~0.17%的铸造态Ti6321合金铸锭，熔炼后，按照重量百分比，铸锭其他元素分别为6.2%的Al、3.0%Nb、2.5%Zr和1.0%的Mo，余量为Ti；
步骤二，将步骤一所得铸造态Ti6321合金铸锭浇铸成铸件及试棒，再对浇铸的铸件和试棒热等静压处理和消应力退火，其中热等静压处理的方法是：加热至910℃～930℃，保温2h，随炉冷却至300℃以下出炉；消应力退火的温度是580℃，保温时间是1h，随炉冷却至100℃以下出炉；
步骤三，将经步骤二处理的铸件及试棒送入真空固熔炉加热至1015℃，然后保温1.5h，再进行充氩冷却，冷却速度控制在35℃/min～45℃/min之间，当温度低于200℃时进行放气冷却，然后温度低于40℃时出炉。
2.根据权利要求1所述的一种舰船用铸态Ti6321钛合金的制备方法，其特征在于，步骤一中所述其他原料包括工业纯铝、海绵锆、Al-Nb、Al-Mo和Al-Si。
3.根据权利要求2所述的一种舰船用铸态Ti6321钛合金的制备方法，其特征在于，所述Al-Nb的牌号为AlNb50。
4.根据权利要求2所述的一种舰船用铸态Ti6321钛合金的制备方法，其特征在于，所述Al-Mo的牌号为AlMo60。
5.根据权利要求2所述的一种舰船用铸态Ti6321钛合金的制备方法，其特征在于，所述Al-Si的牌号为AlSi10。
6.根据权利要求1所述的一种舰船用铸态Ti6321钛合金的制备方法，其特征在于，所述变形态Ti6321钛合金的牌号为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，其中化学元素的重量百分比为：Al：6.0%、Nb：3.0%、Zr：2.0%、Mo：1.0%，余量为Ti。
7.一种舰船用铸态Ti6321钛合金，其特征在于：由权利要求1~6任一项所述的制备方法制备而得，其中Si元素在钛合金材料中的含量占比为0.13%~0.17%，钛合金材料的冲击韧性大于42J，550℃下的抗拉强度大于500MPa。
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