CN111519067B

CN111519067B - 一种高性能、低成本高强钛合金

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Publication number: CN111519067B
Application number: CN202010457493.7A
Authority: CN
Inventors: 辛社伟; 周伟; 李倩; 张思远; 毛小南; 赵永庆; 洪权; 贾蔚菊
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2040-05-26
Also published as: CN111519067A

Abstract

本发明公开了一种高性能、低成本高强钛合金，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al5.1％～6.25％，V2.5％～2.8％，Mo0.4％～0.5％，Zr0.8％～1.0％，Fe≤0.5％，O≤0.35％，余量为Ti和不可避免的其它杂质，该钛合金由TC4合金回收料和TA15合金回收料混合后熔炼得到。本发明的钛合金由TC4合金回收料和TA15合金回收料按比例直接混合后进行熔炼制备得到，通过对两种回收料的合理搭配利用，在保证钛合金具有优异力学性能的前提下，降低了原料成本，从而大大降低了钛合金的制备成本，满足了各工业领域对钛合金结构件高性能的需求。

Description

一种高性能、低成本高强钛合金

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高性能、低成本高强钛合金。

背景技术

钛合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀、可焊接等性能特点，广泛应用于航空航天、舰船、兵器、核工业等重要的工业领域。各领域对材料不断提高的应用需求推动了钛合金技术的革新和进步，特别是航空工业，是高端钛合金发展和应用的源动力。然而这种高端应用和高的技术平台，也推高了钛合金的成本增长，使得钛合金价格居高不下。限制了其进一步在舰船、兵器、建筑、汽车、体育休闲等领域的用量。目前，钛合金无法像钢铁、铝合金一样大范围应用的最大问题就是成本问题，一旦解决了该问题，许多行业现有的材料均可以被钛合金取代，钛合金的用量也将会呈几何倍数增加。因此，近年来低成本钛合金的研制及钛合金的低成本化制备成为当前钛合金的研究热点。

目前，降低合金成本主要从降低合金化元素成本及进行短流程制备工艺两方面着手。降低合金元素成本主要通过采用价格低廉的合金元素替代价格相对昂贵的元素设计新型合金，例如申请号为201710918992.X的专利“一种低成本高强度高钛合金及其制备方法”中应用Fe、Cr等替代Mo、V；公开号为CN2101189.3的专利“一种β型低成本钛合金”中应用Mo-Fe中间合金替代Al-V中间合金。但由于这些新合金中合金元素含量不高，所谓的廉价元素和原添加元素差价也没有想象的那么巨大，因此节约成本极为有限。申请号为201410628558.4的专利“一种可添加钛残料的低成本钛合金”中虽然利用添加十几种钛合金残料的方式来降低合金成本，但申请者为了保证合金性能，添加β稳定元素相对较少，因此应用的钛残料也相对较少，降低成本效果不明显。实际上，现有的低成本合金由于成分和性能的限制，往往添加的残料非常有限。

另外，从目前钛合金使用来看，TC4和TA15合金是应用最为广泛的两个合金，其中TC4占到钛合金应用的50％以上，TA15合金占比为30％左右，两种合金的高品质残料每年数万吨，充分利用现有高品质TC4和TA15合金残料是降低钛合金成本最为有效的方法之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高性能、低成本高强钛合金。该钛合金由TC4合金回收料和TA15合金回收料按比例直接混合后进行熔炼制备得到，通过对两种回收料的合理搭配利用，在保证钛合金具有优异力学性能的前提下，降低了原料成本，从而大大降低了钛合金的制备成本，满足了各工业领域对钛合金结构件高性能的需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高性能、低成本高强钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al5.1％～6.25％，V 2.5％～2.8％，Mo 0.4％～0.5％，Zr 0.8％～1.0％，Fe≤0.5％，O≤0.35％，余量为Ti和不可避免的其它杂质，该钛合金由TC4合金回收料和TA15合金回收料混合后熔炼得到；所述钛合金的抗拉强度Rm＝950MPa～1100MPa，延伸率A＝10％～20％，冲击韧性a_KU＝60J/cm²～80J/cm²。

众所周知，TC4合金和TA15合金是目前应用最广泛的两种钛合金，用量达所有钛合金的80％；因为各种原因，每年产生近3万吨的高品质TC4合金和TA15合金残废料。本发明根据目标合金设计成分，将TC4合金回收料和TA15合金回收料按比例混合后进行熔炼制备高强钛合金，在保证钛合金具有优异力学性能的前提下，将制备原料成本降低至50％，大大降低了钛合金的成本。

本发明的高强钛合金中的Al、V、Mo、Zr合金元素含量在成分范围内的波动，是由不同的TC4合金和TA15合金残料品质和不同的熔炼方法导致的；高强钛合金中的Fe、O元素为非添加元素，其存在是由不同的TC4合金和TA15合金回收料品质和不同的熔炼方法带入导致的，高强钛合金成分中规定的Fe、O元素上限含量确保了TC4合金和TA15合金回收料均能满足使用要求。

上述的一种高性能、低成本高强钛合金，其特征在于，所述钛合金由TC4合金回收料和TA15合金回收料按照(5～6)：(4～5)的质量比混合后熔炼得到。本发明的钛合金原料可选择不同品质的TC4合金回收料和TA15合金回收料进行配比混合，以保证目标产品的获得，灵活方便，扩大了本发明的原料范围。

上述的一种高性能、低成本高强钛合金，其特征在于，所述TC4合金回收料和TA15合金回收料均为符合GB/T 3620.1-2016钛及钛合金牌号和化学成分规定的成分范围的冒口、棒材或板材。采用符合GB/T 3620.1-2016钛及钛合金牌号和化学成分规定的成分范围的品质较高的冒口、棒材、板材等状料作为TC4合金回收料和TA15合金回收料，而不是铸锭扒皮、锻棒车氧化皮等产生的低品质回收料，有利于得到成分符合目标合金设计成分的钛合金，进一步保证钛合金的高强性能。

上述的一种高性能、低成本高强钛合金，其特征在于，所述熔炼采用真空自耗电弧炉或电子束冷床炉进行。本发明采用TC4合金回收料和TA15合金回收料制备高强钛合金的熔炼设备多样，根据不同的设备条件选择不同的熔炼方式，熔炼方式多样，灵活方便，同时保证了高强钛合金的成分在设计范围内；此外，采用电子束冷床炉熔炼得到扁锭，还实现了短流程制备，在降低原料成本的基础上，降低了20％～30％的加工成本，进一步降低的高强钛合金的成本。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明根据目标合金设计成分，将TC4合金回收料和TA15合金回收料按比例直接混合后进行熔炼制备高强钛合金，在保证钛合金具有优异力学性能的前提下，将制备原料成本降低至50％，大大降低了钛合金的制备成本。

2、本发明的熔炼方式多样，灵活方便，优选采用电子束冷床炉熔炼还实现了短流程制备，在降低原料成本的基础上，降低加工成本，进一步降低了高强钛合金的成本。

3、本发明的高强钛合金成分设计中充分考虑了TC4合金回收料和TA15合金回收料的Fe、O和熔炼过程中可能引入的Fe、O杂质，保证了原料均能满足使用要求。

4、本发明的钛合金具有良好的综合力学性能，该钛合金的抗拉强度Rm＝950MPa～1100MPa，冲击韧性a_KU＝60J/cm²～80J/cm²，延伸率A＝10％～20％，明显优于TC4合金和TA15合金，显示出良好的成本和性能优势，满足了各工业领域对钛合金结构件高性能的需求。

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例1

本实施例的钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 6.2％，V 2.8％，Mo 0.4％，Zr 0.8％，Fe≤0.5％，O≤0.35％，余量为Ti和不可避免的其它杂质，该钛合金的制备过程为：将TC4合金棒材回收料和TA15合金棒材回收料按照6:4的质量比混合后采用真空自耗电弧炉进行熔炼，得到钛合金铸锭，然后将钛合金铸锭经锻造和轧制加工制备得到钛合金产品；所述钛合金产品经热处理后的抗拉强度Rm＝1020MPa，延伸率A＝14％，冲击韧性a_KU＝65.2J/cm²。

实施例2

本实施例的钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 6.25％，V 2.5％，Mo0.34％，Zr 1％，Fe≤0.5％，O≤0.35％，余量为Ti和不可避免的其它杂质，该钛合金的制备过程为：将TC4合金板材回收料和TA15合金板材回收料按照5:5的质量比混合后采用真空自耗电弧炉进行熔炼，得到钛合金铸锭，然后将钛合金铸锭经锻造和轧制加工制备得到钛合金产品；所述钛合金产品经热处理后的抗拉强度Rm＝950MPa，延伸率A＝20.5％，冲击韧性a_KU＝80.6J/cm²。

实施例3

本实施例的钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 6.225％，V2.65％，Mo0.45％，Zr 0.9％，Fe≤0.5％，O≤0.35％，余量为Ti和不可避免的其它杂质，该钛合金的制备过程为：将TC4合金冒口回收料和TA15合金冒口回收料按照5.5:4.5的质量比混合后采用真空自耗电弧炉进行熔炼，得到钛合金铸锭，然后将钛合金铸锭经锻造和轧制加工制备得到钛合金产品；所述钛合金产品经热处理后的抗拉强度Rm＝1000MPa，延伸率A＝15.5％，冲击韧性a_KU＝68.6J/cm²。

实施例4

本实施例的钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 5.1％，V 2.8％，Mo0.34％，Zr 0.8％，Fe≤0.5％，O≤0.35％，余量为Ti和不可避免的其它杂质，该钛合金的制备过程为：将TC4合金棒材回收料和TA15合金棒材回收料按照6:4的质量比混合后采用电子束冷床炉进行熔炼，得到钛合金铸锭，然后将钛合金铸锭经锻造和轧制加工制备得到钛合金产品；所述钛合金产品经热处理后的抗拉强度Rm＝1050MPa，延伸率A＝10.5％，冲击韧性a_KU＝60.2J/cm²。

实施例5

本实施例的钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 5.2％，V 2.5％，Mo0.34％，Zr 1％，Fe≤0.5％，O≤0.35％，余量为Ti和不可避免的其它杂质，该钛合金的制备过程为：将TC4合金板材回收料和TA15合金板材回收料按照5:5的质量比混合后采用电子束冷床炉进行熔炼，得到钛合金铸锭，然后将钛合金铸锭经锻造和轧制加工制备得到钛合金产品；所述钛合金产品经热处理后的抗拉强度Rm＝1010MPa，延伸率A＝15.5％，冲击韧性a_KU＝70.6J/cm²。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种高性能、低成本高强钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al 5.1％～6.25％，V 2.5％～2.8％，Mo 0.4％～0.5％，Zr 0.8％～1.0％，Fe≤0.5％，O≤0.35％，余量为Ti和不可避免的其它杂质，该钛合金由TC4合金回收料和TA15合金回收料按照(5～6)：(4～5)的质量比混合后熔炼得到；所述钛合金的抗拉强度Rm＝950MPa～1100MPa，延伸率A＝10％～20％，冲击韧性a_KU＝60J/cm²～80J/cm²。

2.根据权利要求1所述的一种高性能、低成本高强钛合金，其特征在于，所述TC4合金回收料和TA15合金回收料均为符合GB/T 3620.1-2016钛及钛合金牌号和化学成分规定的成分范围的冒口、棒材或板材。

3.根据权利要求1所述的一种高性能、低成本高强钛合金，其特征在于，所述熔炼采用真空自耗电弧炉或电子束冷床炉进行。