CN111560538A

CN111560538A - 一种五元系损伤容限中强钛合金

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Publication number: CN111560538A
Application number: CN202010477238.9A
Authority: CN
Inventors: 曲恒磊; 赵永庆; 邓超; 康彦; 庞继明; 马小菊
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2020-08-21

Abstract

本发明公开了一种五元系损伤容限中强钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.6％～6.9％，Zr 2.5％～3.5％，Mo 2.5％～3.5％，Nb 2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质。本发明通过对钛合金中各组分及含量的设计，提高了钛合金的室温和高温强度和塑性性能，增强了钛合金的抗高温氧化性，以及耐酸、耐盐腐蚀性能，该钛合金综合性能优于其它损伤容限钛合金，且不含有对人体有害的V元素，提高了使用安全性，广泛应用于电力工业、海洋环境和生物医疗领域。

Description

一种五元系损伤容限中强钛合金

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种五元系损伤容限中强钛合金。

背景技术

目前世界上用量最大的钛合金是20世纪50年代美国率先研发的 Ti-6Al-4V钛合金(美国牌号为Gr.5)，占到整个钛合金用量的50％以上。但该主力钛合金含有对人体有害的元素钒。因此，需要开发新型的不含易氧化元素和对人体有害元素且要求制备及力学性能与美国Ti-6Al-4V (ELI)合金相当的钛合金。

损伤容限设计(damage tolerance design)上为了保证含裂纹或可能含裂纹的重要构件的安全，国际上从20世纪70年代开始发展并逐步应用一种现代疲劳断裂控制方法。这种方法的思路是：假定构件中存在着裂纹(依据无损伤能力、使用经验等假定其初始尺寸)，用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。用损伤容限设计理念设计的钛合金被称为损伤容限钛合金，如源自美国的Ti-6Al-4V ELI(β退火态，中强)，源自前苏联的低间隙的BT20(即我国的TA15 ELI，中强)，源自美国的Ti-62DT (Ti-6-22-22S)以及前苏联的BT9(即中国的TC11，高强)等钛合金。

我国自20世纪90年代起意识到损伤容限理念在钛合金设计中的重要性、并于21世纪初系统地开始该类研究工作。在中强钛合金设计中参考了国外现有成果，设计了TC4ELI合金，TA15 ELI合金及TC4-DT钛合金。在高强钛合金设计中，参考Ti-6-22-22S钛合金，设计了TC21钛合金。TC4-DT钛合金的主要成分为Ti-6Al-4V，杂质成分要求介于TC4与TC4ELI之间。TC4-DT的研究难题为：既要达到TC4的强度，又要接近 Ti-6Al-4V ELI的韧性。TC4-ELI(美国牌号Gr.23)为超低间隙的Ti-6Al-4V 合金。TA15 ELI钛合金仿制前苏联的BT20钛合金，名义成分为： Ti-6Al-2V-1Mo-1Zr。从力学性能考察，Ti-6Al-4V ELI厚板在β热处理后室温抗拉强度小于900MPa、屈服强度不超过800MPa；TA15 ELI钛合金厚板经两相区退火或β退火后损伤容限性能与AMS4905C规定的 Ti-6Al-4V ELI性能相当。以上钛合金的研究难题均为合金成分的实际控制，主要是杂质元素的控制。同时上述钛合金均含有对人体不利及抗氧化性差的钒元素。因此，如何获得在满足损伤容限力学性能的基础上又满足医学良好生物相容性的钛合金非常必要。

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，提供一种五元系损伤容限中强钛合金。该钛合金通过对钛合金中各组分及含量的设计，提高了钛合金的室温和高温强度和塑性性能，增强了钛合金的抗高温氧化性，以及耐酸、耐盐腐蚀性能，该钛合金综合性能优于其它损伤容限钛合金，且不含有对人体有害的V元素，提高了使用安全性，广泛应用于电力工业、海洋环境和生物医疗领域。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.6％～6.9％，Zr 2.5％～3.5％，Mo2.5％～3.5％，Nb 2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质；所述钛合金在退火状态下的室温抗拉强度为 900MPa～1000MPa，室温断裂韧性K_IC≥70MPa·m^1/2，当应力比R＝0.1且应力强度因子ΔK＝11MPa·m^1/2时，室温疲劳裂纹扩展速率da/dN≤3.5× 10^-5mm/周，所述钛合金400℃的抗拉强度在620MPa以上，500℃抗拉强度不低于540MPa。

首先，本发明的五元系损伤容限中强钛合金由Ti-Al-Zr-Mo-Nb合金系组成(缩写为TX4钛合金)，该TX4钛合金以钛为主体元素，以α相稳定元素铝、中性元素锆、β相稳定元素钼和铌为合金元素，其中，α相稳定元素铝显著提高了TX4钛合金的(α+β)-β相变温度，从而显著提高了 α相与β相的室温和高温强度，提高TX4钛合金的抗高温氧化性，降低了 TX4钛合金的塑性和韧性；β相稳定元素钼和铌降低了(α+β)-β相变温度，钼的加入提高了TX4钛合金室温强度并降低塑性，但对TX4钛合金的高温强度的影响复杂，当钼的加入量较高时会引起持久及蠕变性能下降，而铌在提高TX4钛合金室温和高温强度的同时，对其塑性及韧性影响不大，且作用较温和，因此，TX4钛合金的组成扩大了热加工窗口，增加了TX4钛合金的可热处理性，且铝、锆、钼、铌与钛原子形成固溶体时产生点阵畸变，从而提高了α相与β相的强度，进而提高了TX4钛合金的抗高温氧化性和耐酸、耐盐腐蚀性，同时，铌具通过“润滑”钛合金中其他稳定元素，避免了其它稳定元素造成的塑性及韧性的下降；中性元素锆在α相与β相中均可形成无限固溶体，在钛合金冷却过程中，抑制β相向 α'马氏体相的转变，提高了钛合金的热强性且不降低其室温塑性。

其次，本发明五元系损伤容限中强钛合金成分组成的核心设计思想为：最小结构单元均匀法则。首先考虑能够同时满足α相与β相的最小结构单元的原子占位及具有较高三维空间对称性的级别较高的取值点，根据 “损伤容限”的应用要求结合三种设计思路即“平均占位”思路(合金原子是随机平均占据点阵位置)，“择优占位”思路(铝原子优先占据α相的hcp晶胞钛点阵位置，钼原子、铌原子及锆原子优先占据β相的bcc晶胞钛点阵位置)和“逆反占位或非标准占位”思路(特殊情况下，铝原子也可以占据β相的bcc晶胞钛点阵位置，钼原子、铌原子及锆原子也可以占据α相的hcp晶胞钛点阵位置)，得到钛合金各组分的的原子百分比为：Ti-(1/9)Al-(1/64)Zr-(1/64)Mo-(1/64)N，换算成质量百分含量为： Ti-6.28Al-2.99Zr-3.14Mo-3.04Nb，即本发明五元系损伤容限中强钛合金的质量名义成分。本发明的TX4钛合金中(1/9)Al可由3个hcp晶胞描述 (共18个原子)，(1/64)Zr、(1/64)Mo及(1/64)Nb各由8个bcc晶胞描述 (共16个原子)，钛合金中所有合金元素组合在一起，共由144个原子描述，即本发明钛合金的最小结构单元含有144个原子。当本发明钛合金理论上全部由α相组成时，其最小结构单元由24个hcp晶胞组成，在

相变点以上时，该钛合金全部由β相组成，其最小结构单元由72个 bcc晶胞组成，即24个hcp晶胞与72个bcc晶胞完成相变过程。因此，在本发明的钛合金质量名义成分为Ti-6.28Al-2.99Zr-3.14Mo-3.04Nb的基础上，具体考虑在钛合金熔炼过程中铝元素易挥发、而锆元素、钼元素及铌元素相对稳定的因素，本发明的钛合金组成及质量百分含量为：Al 5.6％～6.9％，Zr 2.5％～3.5％，Mo 2.5％～3.5％，Nb 2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质。

综上所述，本发明的五元系损伤容限中强钛合金通过对各组分及含量的设计，提高了钛合金的室温和高温强度和塑性性能，增强了钛合金的抗高温氧化性，以及耐酸、耐盐腐蚀性能，因此，本发明的钛合金可广泛应用于电力工业、海洋环境和生物医疗领域。另外，本发明的五元系损伤容限中强钛合金中不含有对人体有害的V元素和易氧化元素等，提高了使用安全性，且与其它损伤容限钛合金先比，本发明的五元系损伤容限中强钛合金成本没有明显增加，但室温和高温性能更加稳定，进一步提高了钛合金应用的安全性和可靠性。

上述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.7％，Zr 2.82％，Mo 3.01％，Nb 3.05％，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.0％，Zr 2.60％，Mo 2.93％，Nb 2.70％，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.6％，Zr 3.45％，Mo 3.45％，Nb 3.45％，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.31％，Zr 2.52％，Mo 2.55％，Nb 2.54％，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，所述钛合金中不可避免的杂质的成分组成及质量百分含量为：Fe≤0.05％，C≤0.02％， N≤0.008％，O≤0.16％，H≤0.009％，Si≤0.04％，其它单种杂质元素均不大于0.10％，其它杂质元素的总量不大于0.40％。其它杂质元素是指钛合金中除了五种钛合金组成成分元素以及上述六种杂质元素以外的元素，如钒、镍、铬、锰和铜。

本实施例的五元系损伤容限中强钛合金的制备方法为钛合金的常规制备方法，具体过程为：按照目标钛合金的设计成分制备铝钼中间合金和铝铌中间合金，然后将原子能级海绵锆、0级海绵钛、铝钼中间合金和铝铌中间合金按目标钛合金的设计成分混合均匀并压制成电极，再经三次真空自耗电弧炉熔炼得到钛合金铸锭；钛合金铸锭依次经开坯锻造、中间锻造和成品锻造成型，最后经退火得到五元系损伤容限中强钛合金。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的五元系损伤容限中强钛合金由Ti-Al-Zr-Mo-Nb合金系组成，通过对钛合金中各组分及含量的设计，提高了钛合金的室温和高温强度和塑性性能，增强了钛合金的抗高温氧化性，以及耐酸、耐盐腐蚀性能，因此，本发明的钛合金可广泛应用于电力工业、海洋环境和生物医疗领域。

2、本发明的五元系损伤容限中强钛合金中不含有对人体有害的V元素、不含有低温脆性的锡及易生成高温脆性金属间化合物的硅，提高了使用安全性，且与其它损伤容限钛合金相比，本发明的五元系损伤容限中强钛合金成本没有明显增加，但室温和高温性能更佳稳定，进一步提高了钛合金应用的安全性和可靠性。

3、本发明的钛合金在退火状态下的室温抗拉强度为 900MPa～1000MPa，室温断裂韧性K_IC≥70MPa·m^1/2，当应力比R＝0.1且应力强度因子ΔK＝11MPa·m^1/2时，室温疲劳裂纹扩展速率da/dN≤3.5× 10^-5mm/cycle，且钛合金400℃的抗拉强度在抗拉强度620MPa以上(与 TC4钛合金指标相当)，500℃抗拉强度不低于540MPa(优于TC4钛合金)，高于TC4钛合金100MPa(优于TC4钛合金)，本发明钛合金的综合性能优于目前广泛使用的TC4钛合金(Gr.5或F-5)、TC4ELI钛合金 (Gr.23或F-23)。

4、本发明的五元系损伤容限中强钛合金的制备方法简单，按照常规钛合金制备方法即可得到，通过控制原材料的选择，选用高品位、杂质含量低纯度高的原材料，从而减小钛合金中杂质元素的含量，提高钛合金的塑性及韧性，进一步保证钛合金的室温及高温力学性能，提高钛合金的损伤容限性能。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的五元系损伤容限中强钛合金棒材的低倍组织形貌图(5×)。

图2为本发明实施例1制备的五元系损伤容限中强钛合金棒材的高倍组织形貌图(500×)。

具体实施方式

实施例1

本实施例的五元系损伤容限中强钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al6.7％，Zr 2.82，Mo 3.01％，Nb 3.05％，Fe 0.05％，C 0.02％，N0.008％， O 0.08％，H0.005％，Si 0.04％，其它单种杂质元素均不大于0.10％，其它杂质元素的总量不大于0.40％。

本实施例的五元系损伤容限中强钛合金的制备过程为：按照目标钛合金的设计成分制备铝钼中间合金和铝铌中间合金，然后将原子能级海绵锆、0级海绵钛、铝钼中间合金和铝铌中间合金按目标钛合金的设计成分混合均匀并压制成电极，再经三次真空自耗电弧炉熔炼得到钛合金铸锭；钛合金铸锭依次经开坯锻造、中间锻造和成品锻造，制备得到钛合金棒材，将该钛合金棒材在温度750℃下退火60min后空冷，得到钛合金成品棒材。

图1为本实施例制备的五元系损伤容限中强钛合金棒材的低倍组织形貌图(5×)，从图1可以看出，该五元系损伤容限中强钛合金棒材低倍组织均匀，无气孔、裂纹及夹杂的缺陷。

图2为本实施例制备的五元系损伤容限中强钛合金棒材的高倍组织形貌图(500×)，从图2可以看出，该五元系损伤容限中强钛合金棒材微观组织为α+β两相组织相貌，其中，浅色的为α单相，深色区域为α+β复合相，该微观组织总体表现为粗化的网篮组织。

实施例2

本实施例的五元系损伤容限中强钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al6.0％，Zr 2.60％，Mo 2.93％，Nb 2.70％，Fe 0.04％，C 0.01％， N 0.006％，O 0.16％，H0.003％，Si 0.02％，其它单种杂质元素均不大于 0.10％，其它杂质元素的总量不大于0.40％。

实施例3

本实施例的五元系损伤容限中强钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al5.6％，Zr 3.45％，Mo 3.45％，Nb 3.45％，Fe 0.02％，C 0.01％， N 0.003％，O 0.12％，H0.002％，Si 0.04％，其它单种杂质元素均不大于 0.10％，其它杂质元素的总量不大于0.40％。

实施例4

本实施例的五元系损伤容限中强钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al6.31％，Zr 2.52％，Mo 2.55％，Nb 2.54％，Fe 0.03％，C 0.02％， N 0.004％，O 0.11％，H0.003％，Si 0.04％，其它单种杂质元素均不大于 0.10％，其它杂质元素的总量不大于0.40％。

将本发明实施例1～实施例4制备的钛合金成品棒材即TX4钛合金成品棒材进行力学性能检测，具体包括：(1)室温下的抗拉强度R_m、屈服强度R_p0.2、塑性延伸率A₅、面缩率Z，结果见表1；(2)室温断裂韧性 K_IC和室温疲劳裂纹扩展速率da/dN(应力比R＝0.1且应力强度因子 ΔK＝11MPa·m^1/2)，结果见表2；(3)400℃下的抗拉强度R_m、屈服强度 R_p0.2、塑性延伸率A₅、面缩率Z性能，结果见表3；(4)500℃下的抗拉强度R_m、屈服强度R_p0.2、塑性延伸率A₅、面缩率Z性能，结果见表4； (5)400℃及500℃下持久性能，结果见表5；并与现有技术中常用的钛合金指标(牌号TC4，TC4-DT，Gr.5，TC4-ELI)进行比较。

表1实施例1～实施例4制备的TX4钛合金成品棒材与常用的损伤容限钛合金的室温强度与塑性性能

表2实施例1～实施例4制备的TX4钛合金成品棒材与常用的损伤容限合金的室温韧性与抗疲劳性能

表1中TC4-DT合金的主体成分为Ti-6Al-4V，其成分中杂质含量的要求介于Gr.5与Gr.23之间。

由于Gr.5与Gr.23研发时间较早，对后来提出的损伤容限性能没有要求，所以表2中没有Gr.5与Gr.23的相关性能标准。

从表1和表2可知，本发明实施例1～实施例4制备的TX4钛合金成品棒材的室温抗拉强度R_m大于900MPa，室温屈服强度R_p0.2大于800MPa，塑性延伸率A₅大于10％，面缩率Z不小于30％，且室温断裂韧性K_IC大于70MPa·m^1/2，室温疲劳裂纹扩展速率da/dN不超过3.50×10^-5mm/cycle，满足了五元系损伤容限钛合金TX4的使用要求，与我国在Gr.5与Gr.23 基础上研制的TC4-DT钛合金性能相当；但本发明的五元系损伤容限钛合金组分中无人体有害元素和易氧化元素，且性能稳定、可靠，可应用于医疗、电力工业、海洋工程等领域。

表3实施例1～实施例4制备的TX4钛合金成品棒材与常用的损伤容限合金的400℃强度与塑性性能

从表3可知，本发明实施例1～实施例4制备的TX4钛合金成品棒材的400℃抗拉强度R_m大于620MPa，室温屈服强度R_p0.2大于520MPa，塑性延伸率A₅大于12％，面缩率Z大于40％，完全满足TX4指标以及TC4 指标，说明本发明的TX4钛合金在400℃高温下具有优异的强度和塑性性能，可应用于400℃高温条件下。

表4实施例1～实施例4制备的TX4钛合金成品棒材与常用的损伤容限合金的500℃强度与塑性性能

从表4可知，本发明施例1～实施例4制备的TX4钛合金成品棒材的 500℃抗拉强度R_m大于620MPa，室温屈服强度R_p0.2不小于500MPa，塑性延伸率A₅不小于14％，面缩率Z不小于60％，完全满足TX4指标以及 TC4指标、Gr.5指标、Gr.23指标的要求，说明本发明的钛合金在500℃ 高温下具有优异的强度和塑性性能，可应用于500℃高温条件下。

表5实施例1～实施例4制备的TX4钛合金成品棒材与常用的损伤容限合金的持久性能

从表5可知，本发明施例1～实施例4制备的TX4钛合金成品棒材的可长期(100h)应用于400℃高温条件下，可短期(35h)内应用于500℃ 高温条件下。

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

1.一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al5.6％～6.9％，Zr 2.5％～3.5％，Mo 2.5％～3.5％，Nb 2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质；所述钛合金在退火状态下的室温抗拉强度为900MPa～1000MPa，室温断裂韧性K_IC≥70MPa·m^1/2，当应力比R＝0.1且应力强度因子ΔK＝11MPa·m^1/2时，室温疲劳裂纹扩展速率da/dN≤3.5×10^-5mm/cycle，所述钛合金400℃的抗拉强度在620MPa以上，500℃抗拉强度不低于540MPa。

2.根据权利要求1所述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.7％，Zr 2.82％，Mo 3.01％，Nb 3.05％，余量为钛和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.0％，Zr 2.60％，Mo 2.93％，Nb 2.70％，余量为钛和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.6％，Zr 3.45％，Mo 3.45％，Nb 3.45％，余量为钛和不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.31％，Zr 2.52％，Mo 2.55％，Nb 2.54％，余量为钛和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，所述钛合金中不可避免的杂质的成分组成及质量百分含量为：Fe≤0.05％，C≤0.02％，N≤0.008％，O≤0.16％，H≤0.009％，Si≤0.04％，其它单种杂质元素均不大于0.10％，其它杂质元素的总量不大于0.40％。