CN112176219A

CN112176219A - 一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金及其制备方法

Info

Publication number: CN112176219A
Application number: CN202011044395.7A
Authority: CN
Inventors: 骆良顺; 苏宝献; 王斌斌; 王亮; 苏彦庆; 郭景杰
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2021-01-05

Abstract

一种Ti‑Al‑Nb‑Zr‑Mo耐腐蚀钛合金及其制备方法，属于钛合金技术领域。本发明的目的是为了进一步提高钛合金的耐腐蚀性能，所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb，6～40％的Zr，1％的Mo，余量为Ti。将合金原料熔炼后得到铸态合金锭；将得到的铸态合金锭进行退火处理，得到耐腐蚀钛合金。本发明通过调整合金中Zr的含量，显著提高了Ti合金的耐腐蚀性能。Zr与Ti属于同一族，具有相似的物理化学性质，可以无限固溶。实验结果表明，本发明中，Zr含量的增加使合金的抗腐蚀性能更加优异，与相同处理工艺获得的对比合金相比，在盐酸溶液中的抗腐蚀能力提升幅度达23.31～90.22％。

Description

一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金及其制备方法

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金及其制备方法。

背景技术

近年来，我国实施了大量海洋石油钻井平台、海水淡化、核电、舰船及人工岛礁建设等重大工程，对上述领域中大型装备使用的各类腐蚀金属管材及其连接件的需求呈大幅增长趋势。由于金属管材需要在复杂恶劣环境(强腐蚀、高温、高压、生物污着等)中应用，对其腐蚀性能有极高的要求。钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性强等特点，尤其对海洋大气环境侵蚀的免疫能力非常出色，是一种优质的轻型结构材料，被称为“海洋金属”，成为上述领域大型装备中最为理想的选择材料。除了海洋工程，钛及钛合金因其自身优异的性能也越来越广泛地应用在生物医学、化工、冶金等诸多领域。

随着钛及钛合金应用领域的不断扩展，其服役环境日益严苛，传统钛合金在腐蚀性能方面已经很难满足当下的工程应用，因此研究开发更加耐腐蚀的新型钛合金是当下的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的是为了进一步提高钛合金的耐腐蚀性能，提供一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb，6～40％的Zr，1％的Mo，余量为Ti。

一种上述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，所述方法为：

步骤一：将合金原料熔炼后得到铸态合金锭；

步骤二：将步骤一得到的铸态合金锭进行退火处理，得到耐腐蚀钛合金。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

(1)本发明通过调整合金中Zr的含量，显著提高了Ti合金的耐腐蚀性能。Zr与Ti属于同一族，具有相似的物理化学性质，可以无限固溶。实验结果表明，本发明中，Zr含量的增加使合金的抗腐蚀性能更加优异，与相同处理工艺获得的对比合金相比，在盐酸溶液中的抗腐蚀能力提升幅度达23.31～90.22％。

(2)成本低，操作过程简单，得到的合金具有优异的耐腐蚀性能。

附图说明

图1为Ti-6Al-3Nb-6Zr-1Mo合金20μm的金相图；

图2为Ti-6Al-3Nb-6Zr-1Mo合金10μm的扫描图；

图3为Ti-6Al-3Nb-10Zr-1Mo合金20μm的金相图；

图4为Ti-6Al-3Nb-10Zr-1Mo合金10μm的扫描图；

图5为Ti-6Al-3Nb-20Zr-1Mo合金20μm的金相图；

图6为Ti-6Al-3Nb-20Zr-1Mo合金10μm的扫描图；

图7为Ti-6Al-3Nb-40Zr-1Mo合金20μm的金相图；

图8为Ti-6Al-3Nb-40Zr-1Mo合金10μm的扫描图；

图9为质量损失曲线图；

图10为腐蚀速率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb，6～40％的Zr，1％的Mo，余量为Ti。所述耐腐蚀钛合金为带有网篮特征的魏氏组织，初生β晶粒清晰可见，内部为片层α相以及残留的细小的β相。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb、6％的Zr、1％的Mo，余量为Ti。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb、10％的Zr、1％的Mo，余量为Ti。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb、20％的Zr、1％的Mo，余量为Ti。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb、40％的Zr、1％的Mo，余量为Ti。

具体实施方式六：一种具体实施方式一至五任一项所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，所述方法为：

步骤一：将合金原料熔炼后得到铸态合金锭；

具体实施方式七：具体实施方式六所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，步骤一中，所述熔炼为真空非自耗电弧熔炼。当采用真空非自耗电弧熔炼时，首先将炉腔内真空度抽至5×10^-3Pa以下，然后再通入氩气至0.05Mpa，所述氩气的通入量至此压力值是为满足电弧熔炼用电离气体的量，此外还能够避免Ti与Zr在高温的情况下，大量吸氢吸氧吸氮，发生氧化；本发明对所述真空电弧熔炼的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。

具体实施方式八：具体实施方式六所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，步骤一中，所述熔炼的温度为2500～3000℃，选择此温度范围是为了确保合金原料能够充分熔化，温度低于此范围会出现熔炼不完全的现象，反之，温度高于此范围，会造成部分金属原料的烧损，导致合金成分不准确，同理，熔炼时间优选为2～4min，亦是为了保证合金熔炼充分，成分均匀，时间过短熔炼不充分，过长则会导致合金元素烧损。

具体实施方式九：具体实施方式六所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，步骤一中，所述熔炼反复进行6～10次，以确保得到的铸锭成分均匀。

具体实施方式十：具体实施方式六所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，步骤二中，所述退火的温度为850～950℃，温度选择此范围是保证合金处于α+β两相区退火温度，时间为2～3h，退火时间限定在此范围一方面是为了保证退火充分，消除铸造过程中产生的铸造应力以及使组织稳定从而获得均匀的性能，时间低于此范围达不到相应的效果，时间过长会导致组织粗化从而恶化合金性能，在高温高真空管式炉中进行，冷却方式为随炉冷却。

实施例1：

一种Ti-6Al-3Nb-6Zr-1Mo高强耐腐蚀钛合金的制备方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备

本发明将合金原料熔炼后得到铸态合金锭。在本发明中，所述合金原料优选包括纯钛(＞99.4wt％)，纯铝丝(＞99.9wt％)，纯铌棒(＞99.9wt％)，纯结晶锆(＞99.9wt％)，纯钼片(＞99.9wt％)。在熔炼前，将上述原料表面打磨去除氧化皮，分别用丙酮、乙醇进行超声清洗至少5min，然后按各元素质量分数精确称量，以供合金熔炼使用；本发明对所述超声清洗的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。

(2)合金的熔炼

使用真空非自耗电弧炉，将清洗后的原料放置在水冷铜坩埚中，并将一块纯钛锭放在其中一个坩埚中，使用机械泵将炉体真空度抽至5Pa以下，然后开启自动真空，将真空度抽至5×10^-3Pa以下，关闭自动真空。然后充入作为保护气氛的氩气至炉体内气压接近0.05MPa左右，以防止金属料被氧化，同时也保证熔炼过程中不会放电。首先熔炼纯钛锭3min以消除炉腔内残余的氧气，随后将钨极调至离原料1-2mm左右启动引弧，在原料完全熔化为液态后，继续熔炼2～4min，然后关闭电流，待合金冷却后将其翻转；如此反复以上操作6～10次以获得成分均匀的合金。

(3)合金的退火处理

铸造钛合金的强度较高并且耐腐蚀性能好，因此广泛应用于航空航天以及航海化工等行业，但是铸造钛合金在铸造过程中通常会存在铸造应力以及组织不均匀等问题。解决这些问题，通常铸造钛合金在应用前会经过退火处理以消除铸造过程中产生的铸造应力以及使组织稳定从而获得均匀的性能。本发明的退火处理方式为：将所得的合金纽扣锭置于高温高真空气氛管式炉中，退火处理的温度为850～950℃，保温时间为2～3h，冷却方式为随炉冷却。

实施例2：

按照实施例1的方式制备合金组成为Ti-6Al-3Nb-10Zr-1Mo钛合金。

实施例3：

按照实施例1的方式制备合金组成为Ti-6Al-3Nb-20Zr-1Mo钛合金。

实施例4：

按照实施例1的方式制备合金组成为Ti-6Al-3Nb-40Zr-1Mo钛合金。

对比例1：

按照实施例1的方式制备合金组成为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金。

对实施例1～4和对比例1获得的合金进行如下分析：

(1)力学性能分析

用线切割分别将实施例1～4和对比例1制得的钛合金切出

的压缩试样，进行压缩试验，由此获得其力学性能相关数据，测试结果如表1所示。

表1钛合金的力学性能测试结果表

由表1可知，本发明得到的钛合金相比于对比例的合金，压缩屈服强度提升幅度高达52.78％，此外，极限压缩强度提升幅度高达30.93％，这是由于本发明所得的钛合金含有更为细小的片层α相以及更高比例的残留β相(从图1-8可知)，此外，Zr含量的增加起到了固溶强化的效果。

(2)腐蚀性能分析

分别将实施例1～4和对比例1的钛合金用线切割切出尺寸为10mm×10mm×5mm的静态浸泡试验试样，每个钛合金锭切出3个试样，以确保实验的可重复性；使用240#的砂纸将被测试样的每个面进行打磨以去除氧化皮，清洗并吹干表面；浸泡实验以ASTM StandardG31-72为试验依据在浓度为5M的盐酸溶液环境下进行试验，试验周期为240个小时，由此获得其腐蚀性能相关数据。各合金质量损失随时间变化的曲线如图9所示，可知，随着合金中Zr含量的增加，质量损失显著减小，表明耐腐蚀性能明显改善。为进一步说明，我们基于质量损失计算了腐蚀速率，计算公式如下所示：

I＝KW/ATρ

式中，I为腐蚀速率，K为常数，取8.76×10⁴，W为质量损失，单位是g，A为浸泡面积，单位是cm²，T为浸泡时间，单位为h，ρ是合金密度，单位为g/cm³。

合金的腐蚀速率随Zr含量的变化如图10所示，明显地，合金的腐蚀速率随Zr含量的增加而减小。此外，我们在表2中列出了具体的腐蚀速率值。

表2钛合金的静态浸泡试验测试结果表

由表2可知，本发明中，Zr含量的增加使其抗腐蚀性能更加优异，与相同处理工艺获得的对比合金(Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)相比较，在盐酸溶液中的抗腐蚀能力提升幅度为23.31～90.22％。

由以上实施例可以看出，本发明通过调节钛合金中Zr元素的含量，钛合金的压缩屈服强度和极限抗压强度均得到大幅度提升，在盐酸溶液中的抗腐蚀能力得到了显著提升。

Claims

1.一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，其特征在于：所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb，6～40％的Zr，1％的Mo，余量为Ti。

2.根据权利要求1所述的一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，其特征在于：所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb、6％的Zr、1％的Mo，余量为Ti。

3.根据权利要求1所述的一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，其特征在于：所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb、10％的Zr、1％的Mo，余量为Ti。

4.根据权利要求1所述的一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，其特征在于：所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb、20％的Zr、1％的Mo，余量为Ti。

5.根据权利要求1所述的一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金，其特征在于：所述的钛合金按质量百分比由下述原料组成：6％的Al，3％的Nb、40％的Zr、1％的Mo，余量为Ti。

6.一种权利要求1～5任一权利要求所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：所述方法为：

步骤一：将合金原料熔炼后得到铸态合金锭；

7.根据权利要求6所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述熔炼为真空非自耗电弧熔炼。

8.根据权利要求6所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述熔炼的温度为2500～3000℃，熔炼时间优选为2～4min。

9.根据权利要求6所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述熔炼反复进行6～10次。

10.根据权利要求6所述的Ti-Al-Nb-Zr-Mo耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述退火的温度为850～950℃，时间为2～3h。