CN111850346A - 一种无需固溶时效处理的高强钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高强钛合金技术领域，尤其涉及一种无需固溶时效处理的高强钛合金及其制备方法。本发明的高强钛合金以重量百分含量计，包括Al 7.0～8.7％，Fe 0.8～1.5％，Cr 0.8～1.5％，Mo 0.5～1.2％，O≤0.2％，余量为Ti。本发明以Al作为第一合金化元素，提高合金的强度，降低合金的密度，同时合金添加少量的Mo以细化组织，含有约1％的共析型β稳定元素Fe和Cr，进一步提高合金的强度并兼顾热加工性能，本发明通过控制合金的成分和含量，无需进行固溶时效处理便可达到较高的强度，且兼具良好的铸造性能。

Description

一种无需固溶时效处理的高强钛合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及高强钛合金技术领域，尤其涉及一种无需固溶时效处理的高强钛合金及其制备方法。
背景技术
高强钛合金在航空航天、船舶及兵器等领域的重要结构件中起着不可替代的作用，已成为钛合金开发应用的主要研究方向。高强钛合金可分为富β的α+β型钛合金、近β型钛合金、亚稳β型钛合金或β型钛合金，这些合金一般通过固溶时效处理的析出强化来提高合金的强度。但通过固溶时效处理来提高合金的强度存在以下几个缺点：1)高强状态下的塑性及冲击性能都较低；2)加工的薄壁件固溶后快速冷却容易发生变形或者大截面型加工件不易淬透的问题。因此，开发无需固溶时效处理高强钛合金具有很高的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需固溶时效处理的高强钛合金及其制备方法，无需进行固溶时效处理得到的钛合金便具有较高的强度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种无需固溶时效处理的高强钛合金，以重量百分含量计，包括Al7.0～8.7％，Fe 0.8～1.5％，Cr 0.8～1.5％，Mo 0.5～1.2％，O≤0.2％，余量为Ti。
本发明提供了上述方案所述高强钛合金的制备方法，包括以下步骤：
将海绵钛、钼铁合金、铬铁合金、铝豆和二氧化钛按设计成分混合压制成电极，进行真空自耗电弧炉熔炼，得到合金铸锭或铸造母合金电极；
将所述合金铸锭依次进行开坯锻造和轧制，然后进行退火处理，得到高强钛合金板材或高强钛合金棒材；
或者将所述铸造母合金电极在真空自耗凝壳炉中浇注成铸件，将所述铸件进行退火处理后，得到高强钛合金铸件。
优选的，所述退火处理的温度为700～800℃，时间为1～2h。
优选的，所述海绵钛为0～2级海绵钛。
优选的，所述开坯锻造的温度为1050～1150℃。
优选的，所述轧制的温度为920～950℃。
优选的，所述钼铁合金和铬铁合金均为炼钢用中间合金。
本发明提供了一种无需固溶时效处理的高强钛合金，以重量百分含量计，包括Al7.0～8.7％，Fe 0.8～1.5％，Cr 0.8～1.5％，Mo 0.5～1.2％，O≤0.2％，余量为Ti。本发明以Al作为第一合金化元素，提高合金的强度，降低合金的密度，同时合金添加少量的Mo以细化组织，分别含有约1％的共析型β稳定元素Fe和Cr，进一步提高合金的强度并兼顾热加工性能，本发明通过控制合金的成分和含量，无需进行固溶时效处理便可达到较高的强度，且兼具良好的铸造性能。
此外，现有的高强钛合金含有较多的β稳定元素(如Mo、V、Nb等)，造成合金成本高、密度增大、模量降低等不利因素，本发明相较于现有的高强钛合金降低了β稳定元素的含量，降低了合金成本。
本发明提供了上述方案所述高强钛合金的制备方法，β稳定元素Fe、Cr和Mo，可采用全廉价炼钢用中间合金添加，使得在不添加残料的条件下，合金的原料成本最低。
实施例的结果表明，本发明高强钛合金的室温抗拉强度大于1080MPa，延伸率大于8％；铸造合金的室温抗拉强度大于900MPa，延伸率大于5％。
具体实施方式
本发明提供了一种无需固溶时效处理的高强钛合金，以重量百分含量计，包括Al7.0～8.7％，Fe 0.8～1.5％，Cr 0.8～1.5％，Mo 0.5～1.2％，O≤0.2％，余量为Ti。
优选的，本发明提供的无需固溶时效处理的高强钛合金，以重量百分含量计，包括Al 7.0％，Fe 1.5％，Cr 1.2％，Mo 1.2％，O 0.20％，余量为Ti；或者包括：Al 7.5％，Fe1.2％，Cr 1.5％，Mo 1.0％，O 0.15％，余量为Ti；或者包括：Al 7.8％，Fe 1.0％，Cr1.0％，Mo 0.8％，O 0.13％，余量为Ti；或者包括：Al 8.0％，Fe 1.1％，Cr 1.2％，Mo0.8％，O 0.13％，余量为Ti；或者包括：Al 8.1％，Fe 1.0％，Cr 0.9％，Mo 0.8％，O0.12％，余量为Ti；或者包括：Al 8.2％，Fe 1.0％，Cr 1.2％，Mo 0.8％，O 0.12％，余量为Ti；或者包括：Al 8.5％，Fe 0.9％，Cr 0.8％，Mo 0.6％，O 0.10％，余量为Ti；或者包括：Al8.7％，Fe 0.8％，Cr 1.0％，Mo 0.5％，O 0.08％，余量为Ti。
本发明提供的无需固溶时效处理的高强钛合金还包括其他不可避免的杂质。
本发明以Al作为第一合金化元素，提高合金的强度，降低合金的密度，同时合金添加少量的Mo以细化组织，含有约1％的共析型β稳定元素Fe和Cr，进一步提高合金的强度并兼顾热加工性能。本发明通过控制合金的成分和含量，无需进行固溶时效处理便可达到较高的强度，且兼具良好的铸造性能。
本发明提供了上述方案所述高强钛合金的制备方法，包括以下步骤：
将海绵钛、钼铁合金、铬铁合金、铝豆和二氧化钛按设计成分混合压制成电极，进行真空自耗电弧炉熔炼，得到合金铸锭或铸造母合金电极；
将所述合金铸锭依次进行开坯锻造和轧制，然后进行退火处理，得到高强钛合金板材或高强钛合金棒材；
或者将所述铸造母合金电极在真空自耗凝壳炉中浇注成铸件，将所述铸件进行退火处理后，得到高强钛合金铸件。
本发明将海绵钛、钼铁合金、铬铁合金、铝豆和二氧化钛按设计成分混合压制成电极，进行真空自耗电弧炉熔炼，得到合金铸锭或铸造母合金电极。
在本发明中，所述海绵钛优选为0～2级海绵钛；所述海绵钛的粒径优选为0.83～25.4mm，更优选为2～20mm，进一步优选为5～15mm。在本发明中，所述钼铁合金、铬铁合金优选为炼钢用中间合金，所述钼铁合金和铬铁合金的粒径独立优选为1～10mm，更优选为2～8mm，进一步优选为3～7mm。在本发明中，所述铝豆的粒径优选为8～13mm，更优选为9～12mm，进一步优选为10～11mm；所述二氧化钛的粒径优选为0.2～0.26μm，更优选为0.22～0.25μm。本发明采用铝豆，一方面成本较低，另一方面采用铝豆也便于电极的压制。
本发明对所述压制成电极的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的压制过程即可。在本发明中，所述真空自耗电弧熔炼优选在真空自耗电弧炉中进行，所述熔炼的次数优选为2～3次。本发明优选根据高强钛合金的产品型式选择熔炼成合金铸锭或铸造母合金电极，当最终要制备的高强钛合金为板材或棒材时，本发明熔炼后得到合金铸锭；当最终要得到铸造高强钛合金时，本发明熔炼后得到铸造母合金电极。
在本发明中，当要制备高强钛合金板材或高强钛合金棒材时，本发明将所述合金铸锭依次进行开坯锻造和轧制，然后进行退火处理，得到高强钛合金板材或高强钛合金棒材。
在本发明中，所述开坯锻造的温度优选为1050～1150℃，更优选为1070～1120℃，所述轧制的温度优选为920～950℃，更优选为930～940℃。本发明对所述开坯锻造和轧制的实施过程没有特殊要求，采用本领域熟知的过程即可。在本发明中，所述退火处理的温度优选为700～800℃，更优选为720～780℃，最优选为730～760℃；所述退火处理的时间优选为1～2h，更优选为1.5h。本发明所述退火处理的作用是消除合金加工过程产生的应力，改善合金的组织。
在本发明中，当要制备高强钛合金铸件时，本发明将所述铸造母合金电极在真空自耗凝壳炉中浇注成铸件，将所述铸件进行退火处理后，得到高强钛合金铸件。本发明对所述真空自耗凝壳炉没有特殊的要求，采用本领域熟知的真空自耗凝壳炉即可。本发明对铸件的形状没有特殊要求，可根据实际需要进行选择。在本发明中，所述退火处理的条件优选同制备高强钛合金棒材或高强钛合金板材中退火处理的条件，这里不再赘述。本发明利用退火处理消除合金浇注时产生的热应力，改善合金的性能。
本发明的制备方法简单，采用全廉价炼钢中间合金为原料，大大降低了高强钛合金的制造成本。
下面结合实施例对本发明提供的无需固溶时效处理的高强钛合金及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例钛合金的成分为Ti-7.0Al-1.5Fe-1.2Cr-1.2Mo-0.2O，即按重量百分比计为Al：7.0％，Fe：1.5％，Cr：1.2％，Mo：1.2％，O：0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用：Fe-55Mo中间合金(粒径为1～5mm)、Fe-69Cr中间合(粒径为2～4mm)、铝豆(粒径为8～10mm)、二氧化钛(粒径为0.23～0.26μm)、2级海绵钛(粒径为15～25.4mm)。
将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭在1050℃温度下开坯锻造成100mm厚板坯，在950℃热轧成12mm厚板材，最后在700℃/1h进行退火处理，得到高强钛合金板材。
本实施例制备的高强钛合金板材的室温拉伸性能为：抗拉强度Rm：1095MPa，屈服强度Rp0.2：1041MPa，延伸率A：15％，断面收缩率Z：28％。
实施例2
本实施例钛合金的成分为Ti-7.5Al-1.2Fe-1.5Cr-1.0Mo-0.15O，即按重量百分比计为Al：7.5％，Fe：1.2％，Cr：1.5％，Mo：1.0％，O：0.15％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用：Fe-60Mo中间合金(粒径为3～6mm)、Fe-55Cr中间合金(粒径为5～10mm)、铝豆(粒径为8～11mm)、二氧化钛(粒径为0.23～0.26μm)、1级海绵钛(粒径为6～10mm)。
将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭在1100℃温度下开坯锻造，经三火次锻造成Φ55mm中间精锻坯，在920℃热轧成Φ27mm棒材，最后在750℃/1h进行退火处理，得到高强钛合金棒材。
本实施例钛合金棒材的室温拉伸性能为：Rm：1115MPa，Rp0.2：1052MPa，A：15.5％，Z：34％。
实施例3
本实施例钛合金的成分为Ti-7.8Al-1.0Fe-1.0Cr-0.8Mo-0.13O，即按重量百分比计为Al 7.8％，Fe 1.0％，Cr 1.0％，Mo 0.8％，O 0.13％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用：Fe-55Mo中间合金(粒径为2～8mm)、Fe-55Cr中间合金(粒径为1～5mm)、铝豆(粒径为10～13mm)、二氧化钛(粒径为0.22～0.24μm)、0级海绵钛(粒径为0.83～5mm)。
将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经两次熔炼成铸造母合金电极，然后采用真空自耗凝壳炉进行浇注，对铸件在700℃/1h进行退火处理，得到高强钛合金铸件。
本实施例钛合金铸件的室温拉伸性能为：Rm：946MPa，Rp0.2：855MPa，A：7％，Z：22％。
实施例4
本实施例钛合金的成分为Ti-8.0Al-1.1Fe-1.2Cr-0.8Mo-0.13O，即按重量百分比计为Al：8.0％，Fe：1.1％，Cr：1.2％，Mo：0.8％，O：0.13％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用：Fe-60Mo中间合金(粒径为6～10mm)、Fe-55Cr中间合金(粒径为5～8mm)、铝豆(粒径为9～12mm)、二氧化钛(粒径为0.2～0.24μm)、0级海绵钛(粒径为3～8mm)。
将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭在1120℃温度下开坯锻造，经三火次锻造成Φ65mm中间精锻坯，在930℃热轧成Φ42mm棒材，最后在720℃/2h进行退火处理，得到高强钛合金棒材。
本实施例钛合金棒材的室温拉伸性能为：Rm：1173MPa，Rp0.2：1065MPa，A：12％，Z：30％。
实施例5
本实施例钛合金的成分为Ti-8.1Al-1.0Fe-0.9Cr-0.8Mo-0.12O，即按重量百分比计为Al 8.1％，Fe 1.0％，Cr 0.9％，Mo 0.8％，O 0.12％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用：Fe-55Mo中间合金(粒径为2～7mm)、Fe-55Cr中间合金(粒径为4～8mm)、铝豆(粒径为8～10mm)、二氧化钛(粒径为0.23～0.26μm)、0级海绵钛(粒径为5～10mm)。
将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经两次熔炼成铸造母合金电极，然后采用真空自耗凝壳炉进行浇注，对铸件在750℃/1h进行退火处理，得到高强钛合金铸件。
本实施例钛合金铸件的室温拉伸性能为：Rm：952MPa，Rp0.2：867MPa，A：7％，Z：21％。
实施例6
本实施例钛合金的成分为Ti-8.2Al-1.0Fe-1.2Cr-0.8Mo-0.12O，即按重量百分比计为Al 8.2％，Fe 1.0％，Cr 1.2％，Mo 0.8％，O 0.12％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用：Fe-55Mo中间合金(粒径为2～6mm)、Fe-55Cr中间合金(粒径为2～6mm)、铝豆(粒径为9～13mm)、二氧化钛(粒径为0.2～0.25μm)、1级海绵钛(粒径为10～15mm)。
将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经两次熔炼成铸造母合金电极，然后采用真空自耗凝壳炉进行浇注，，对铸件在800℃/1h进行退火处理，得到高强钛合金铸件。
本实施例钛合金铸件的室温拉伸性能为：Rm：975MPa，Rp0.2：865MPa，A：6％，Z：20％。
实施例7
本实施例钛合金的成分为Ti-8.5Al-0.9Fe-0.8Cr-0.6Mo-0.10O，即按重量百分比计为Al 8.5％，Fe 0.9％，Cr 0.8％，Mo 0.6％，O 0.10％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用：Fe-55Mo中间合金(粒径为3～8mm)、Fe-55Cr中间合金(粒径为5～10mm)、铝豆(粒径为8～10mm)、二氧化钛(粒径为0.22～0.26μm)、1级海绵钛(粒径为8～12mm)。
将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭在1150℃温度下开坯锻造成90mm厚板坯，在950℃热轧成15mm厚板材，最后在800℃/1h进行退火处理，得到高强钛合金板材。
本实施例钛合金板材的室温拉伸性能为：Rm：1206MPa，Rp0.2：1107MPa，A：11％，Z：25％。
实施例8
本实施例钛合金的成分为Ti-8.7Al-0.8Fe-1.0Cr-0.5Mo-0.08O，即按重量百分比计为Al 8.7％，Fe 0.8％，Cr 1.0％，Mo 0.5％，O 0.08％，余量为Ti和不可避免的杂质。原料选用：Fe-60Mo中间合金(粒径为5～9mm)、Fe-69Cr中间合金(粒径为3～7mm)、铝豆(粒径为8～12mm)、二氧化钛(粒径为0.23～0.26μm)、1级海绵钛(粒径为13～18mm)。
将中间合金与海绵钛按设计成分混合压制电极后用真空自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，合金铸锭在1150℃温度下开坯锻造成110mm厚板坯，在940℃热轧成20mm厚板材，最后在780℃/1.5h进行退火处理，得到高强钛合金板材。
本实施例钛合金板材的室温拉伸性能为：Rm：1229MPa，Rp0.2：1130MPa，A：10％，Z：23.5％。
由以上实施例可知，本发明提供了一种无需固溶时效处理的高强钛合金及其制备方法，无需经过固溶时效处理仅通过简单的退火即可得到抗拉强度较高的高强钛合金。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无需固溶时效处理的高强钛合金，以重量百分含量计，包括Al7.0～8.7％，Fe0.8～1.5％，Cr 0.8～1.5％，Mo 0.5～1.2％，O≤0.2％，余量为Ti。
2.权利要求1所述高强钛合金的制备方法，包括以下步骤：
将海绵钛、钼铁合金、铬铁合金、铝豆和二氧化钛按设计成分混合压制成电极，进行真空自耗电弧炉熔炼，得到合金铸锭或铸造母合金电极；
将所述合金铸锭依次进行开坯锻造和轧制，然后进行退火处理，得到高强钛合金板材或高强钛合金棒材；
或者将所述铸造母合金电极在真空自耗凝壳炉中浇注成铸件，将所述铸件进行退火处理后，得到高强钛合金铸件。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为700～800℃，时间为1～2h。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述海绵钛为0～2级海绵钛。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述开坯锻造的温度为1050～1150℃。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述轧制的温度为920～950℃。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钼铁合金和铬铁合金均为炼钢用中间合金。
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