CN112760522B - 一种高温超塑性钛合金板材及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超塑性钛合金板材及其制备方法。该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：5～6.5，Zr:3～4，V：0.5～0.8，Fe：0.6～1.5，Mo：1.5～3，Cr：1～3，Nb：0.2～1，O：0.15～0.2，余量为Ti和不可避免的杂质元素。本发明的钛合金及合金板材具有优异的室温和高温力学性能匹配，可以满足短时高温高强条件下对钛合金的应用需求。

Description

一种高温超塑性钛合金板材及制备方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金，特别涉及一种超塑性成形用短时高温钛合金薄板的制备方法。
背景技术
短时高温钛合金的工作温度通常在600℃以上，且工作时间短，一般为几十分钟到几小时之间，在要求材料具有良好的高温性能的同时，需要具备优异的成形工艺性能，特别是由于经常需要进行超塑成形，因此需要采用薄板，且要求材料具备优异的超塑性。
目前，典型高温钛合金多是为了满足航空发动机的长时使用需求，典型代表为IMI834、Ti-1100、BT36、Ti-60和Ti-600等，长时最高使用温度约600℃。这些合金多为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型钛合金，考虑到合金在长时高温工作时的组织稳定性，合金中β稳定元素含量较低。这类材料多以棒材或者锻件等应用，若继续增加对α相的固溶强化起决定性作用的α稳定元素和中性元素，容易导致α2相的大量析出而使合金变脆，降低材料的工艺性能，特别是超塑成形难度大，变形抗力高。因此，在保持合金具有较高的高温强度的同时，加入β稳定元素以提高合金的超塑成形性能。Fe元素稳定β相的能力强，可使合金经热处理后保留一定量的β相，改善钛合金的加工工艺性能，有利于合金的板材成型，而且其价格低廉，加入到合金中可降低原料成本。除了合金成分外，材料的显微组织也具有显著影响，控制板材的晶粒尺寸不超过5μm。
发明内容
一种超塑性钛合金板材，其特征在于：该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：5～6.5，Zr:3～4，V：0.5～0.8，Fe：0.6～1.5，Mo：1.5～3，Cr：1～3，Nb：0.2～1，O：0.15～0.2，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
上述钛合金中杂质元素N、H和C的含量(重量百分比)为：N＜0.01％，H＜0.0015％，C＜0.05％；
优选的，该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：5，Zr:3.5，V：0.6，Fe：0.8，Mo：2.4，Cr：1.5，Nb：0.5，O：0.16，余量为Ti和不可避免的杂质元素；
优选的，该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：5.5，Zr:3.2，V：0.5，Fe：1.2，Mo：2.1，Cr：1.8，Nb：0.8，O：0.18，余量为Ti和不可避免的杂质元素；
优选的，该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：6，Zr:3.6，V：0.7，Fe：1.3，Mo：1.8，Cr：2.3，Nb：0.6，O：0.17，余量为Ti和不可避免的杂质元素；
优选的，该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：6.5，Zr:3.0，V：0.8，Fe：1.5，Mo：2.5，Cr：2.5，Nb：0.9，O：0.15，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
一种超塑性钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：(1)合金采用的原料为0级海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、Al-Mo、Mo-Fe、Cr-Fe、Al-V、Al-Nb合金；将海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2和其他合金称量完毕后进行分层布料，然后压制成电极，通过三次真空自耗电弧熔炼制备出铸锭；(2)将铸锭在相变点以上开坯，逐步降温进行中间锻造制成板坯，对板坯在相变点以下40～50℃充分加热后，在轧机上轧制成1.0～3.0mm厚的板材；随后对板材进行整体热处理，热处理温度为相变点以下20℃，保温时间为2h，冷却方式为空冷。
本发明的钛合金中各种元素的作用如下：
Al、O：为α稳定元素，提高合金的强度；Zr：中性元素，提高合金的强度；Fe：β稳定元素，扩散系数高，可以有效的降低变形抗力，从而降低超塑成形温度，提高超塑性；而且其价格低廉，加入到合金中可降低原料成本。
Mo：β稳定元素，提高合金热稳定性，在变形过程中抑制晶粒长大，达到细化晶粒的目的，有利于提高超塑性；
Cr、V：扩大β相区，降低合金的相变温度；
Nb：改善抗氧化性能，提高成形工艺性能，同时对强度有利。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过在钛合金中添加Al、Zr、V、Fe、Mo、Cr、Nb，并通过调整其各自含量，另外通过控制制备工艺得到的钛合金板材，其平均晶粒尺寸不超过5μm，协同作用提高了钛合金室温及高温强度，并且具有高温超塑性。本发明的合金性能为：室温下的弯曲角为180°；室温抗拉强度不低于1050MPa，屈服强度不低于920MPa，延伸率不低于8％；650℃下的抗拉强度不低于550MPa，延伸率不低于50％；800℃时，超塑拉伸变形延伸率A≥1100％。本发明的钛合金及合金板材具有优异的室温和高温力学性能匹配，可以满足短时高温高强条件下对钛合金的应用需求。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种超塑性钛合金板材，该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：5，Zr:3.5，V：0.6，Fe：0.8，Mo：2.4，Cr：1.5，Nb：0.5，O：0.16，余量为Ti和不可避免的杂质元素。其制备方法，包括如下步骤：(1)合金采用的原料为0级海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、Al-Mo、Mo-Fe、Cr-Fe、Al-V、Al-Nb合金；将海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2和其他合金称量完毕后进行分层布料，然后压制成电极，通过三次真空自耗电弧熔炼制备出铸锭；(2)将铸锭在相变点以上开坯，逐步降温进行中间锻造制成板坯，对板坯在相变点以下40～50℃充分加热后，在轧机上轧制成2.0mm厚的板材；随后对板材进行整体热处理，热处理温度为相变点以下20℃，保温时间为2h，冷却方式为空冷。
实施例2
一种超塑性钛合金板材，该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：5.5，Zr:3.2，V：0.5，Fe：1.2，Mo：2.1，Cr：1.8，Nb：0.8，O：0.18，余量为Ti和不可避免的杂质元素，其余与实施例1相同。
实施例3
一种超塑性钛合金板材，该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：6，Zr:3.6，V：0.7，Fe：1.3，Mo：1.8，Cr：2.3，Nb：0.6，O：0.17，余量为Ti和不可避免的杂质元素，其余与实施例1相同。
实施例4
一种超塑性钛合金板材，该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：6.5，Zr:3.0，V：0.8，Fe：1.5，Mo：2.5，Cr：2.5，Nb：0.9，O：0.15，余量为Ti和不可避免的杂质元素，其余与实施例1相同。
将实施例1-4制备得到的钛合金板材进行测试，按照GB/T232-2010方法进行室温弯曲试验，按照GB/T 228.2-2010方法进行室温拉伸测试，按照GB/T4338-2006方法进行高温拉伸测试，结果如下表所示：
Figure GDA0002985127840000041
Figure GDA0002985127840000051
可见，本发明的钛合金板材优异的室温和高温力学性能匹配，具有良好的高温超塑性，可以满足短时高温高强条件下对钛合金的应用需求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种高温超塑性钛合金板材，其特征在于：该合金的组成及各元素含量的重量百分比(wt.％)为：Al：6，Zr:3.6，V：0.7，Fe：1.3，Mo：1.8，Cr：2.3，Nb：0.6，O：0.17，余量为Ti和不可避免的杂质元素，或Al：6.5，Zr:3.0，V：0.8，Fe：1.5，Mo：2.5，Cr：2.5，Nb：0.9，O：0.15，余量为Ti和不可避免的杂质元素，
其制备方法，包括如下步骤：(1)合金采用的原料为0级海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、Al-Mo、Mo-Fe、Cr-Fe、Al-V、Al-Nb合金；将海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2和其他合金按照重量比称量完毕后进行分层布料，然后压制成电极，通过三次真空自耗电弧熔炼制备出铸锭；(2)将铸锭在相变点以上开坯，逐步降温进行中间锻造制成板坯，对板坯在相变点以下40～50℃充分加热后，在轧机上轧制成1.0～3.0mm厚的板材；随后对板材进行整体热处理，热处理温度为相变点以下20℃，保温时间为2h，冷却方式为空冷，
其平均晶粒尺寸不超过5μm，室温下的弯曲角为180°；室温抗拉强度不低于1050MPa，屈服强度不低于920MPa，延伸率不低于8％；650℃下的抗拉强度不低于550MPa，延伸率不低于50％；800℃时，超塑拉伸变形延伸率A≥1100％。
2.根据权利要求1所述的一种高温超塑性钛合金板材，上述钛合金中杂质元素N、H和C的含量重量百分比为：N＜0.01％，H＜0.0015％，C＜0.05％。
3.权利要求1或2所述的高温超塑性钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：(1)合金采用的原料为0级海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、Al-Mo、Mo-Fe、Cr-Fe、Al-V、Al-Nb合金；将海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2和其他合金按照重量比称量完毕后进行分层布料，然后压制成电极，通过三次真空自耗电弧熔炼制备出铸锭；(2)将铸锭在相变点以上开坯，逐步降温进行中间锻造制成板坯，对板坯在相变点以下40～50℃充分加热后，在轧机上轧制成1.0～3.0mm厚的板材；随后对板材进行整体热处理，热处理温度为相变点以下20℃，保温时间为2h，冷却方式为空冷。
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