CN113106294A - 一种具有良好冷成型性的耐热钛合金及其卷材的制备方法 - Google Patents

一种具有良好冷成型性的耐热钛合金及其卷材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有良好冷成型性的耐热钛合金及其卷材的制备方法，包括以重量百分比计的以下组分：Al：0.5～2.0％；Si：0.05～0.3％；余量为Ti和不可避免的杂质元素；其中，杂质元素的成分及含量分别为：Fe≤0.30％，C≤0.05％，N≤0.04％，H≤0.015％，O≤0.15％。本发明的钛合金在塑性较纯钛没有明显降低的前提下，极大的提高了合金的高温性能。该合金应用后，在满足强度等要求的情况下，极大的提高了合金的高温抗氧化性能；除卷材外，也可加工为板、棒、管等不同材料，满足各种需求高塑性、抗氧化性低强度材料的要求。

Description

一种具有良好冷成型性的耐热钛合金及其卷材的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料熔炼及加工技术领域，具体涉及一种具有良好冷成型性的耐热钛合金及其卷材的制备方法。
背景技术
钛合金具有高的比强度、良好的耐蚀性能、好的生物相容性等一系列优点，在航空、航天、舰船、兵器、化工、生物医疗等领域的应用越来越广泛；且随着钛合金优异性能的逐步认知，其在民用等特殊用途的需求不断增加，尤其是近年来随着汽车工业的发展，钛合金在汽车部件上的应用越来越多，其比强高、弹性模量小、无磁性、热导率低等一系列优点，是汽车实现轻量化的理想金属。
目前，常规的汽车排气筒材料一般分普通钢铁和不锈钢；普通钢耐蚀性差，使用一段时间后，普通钢制的排气筒内部会慢慢脱层，形成排气阻塞，严重影响动力并且造成排气不畅；不锈钢排气管较普通钢耐热、耐蚀性好，使用寿命长，但相对于钛合金来说，其耐蚀性较差，密度较大，在同等壁厚情况下，其重量为钛合金的两倍。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有良好冷成型性的耐热钛合金及其卷材的制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种具有良好冷成型性的耐热钛合金，所述耐热钛合金包括以重量百分比计的以下组分：Al：0.5～2.0％；Si：0.05～0.3％；余量为Ti和不可避免的杂质元素。
本发明还提供了一种具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材的制备方法，包括：
步骤1：根据权利要求1所述的耐热钛合金的组成成分配比原料，然后在真空自耗电弧炉中进行真空自耗熔炼，得到钛合金圆形铸锭；
步骤2：将所述钛合金圆形铸锭加热到α→β相变点以上100～200℃，进行开坯锻造，得到钛合金板坯；其中，所述钛合金圆形铸锭的总变形量达到60～80％；
步骤3：将所述钛合金板坯加热并保温后进行热轧，并卷曲成钛合金热轧带卷；其中，所述钛合金板坯的总变形量达到80～98.5％，加热温度为所述钛合金板坯α→β相变点以上20～60℃，加热时间为板坯厚度×(1.0～1.5)min/mm；
步骤4：将所述钛合金热轧带卷进行真空热处理，冷却得到钛合金冷轧坯料；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为所述钛合金热轧带卷厚度×(1.0～1.5)min/mm；
步骤5：对所述冷轧钛合金坯料进行5～7道次冷轧，得到第一钛合金卷材；其中，所述冷轧钛合金坯料的总变形量达到40～60％；
步骤6：对所述第一钛合金卷材进行真空热处理，冷却得到第二钛合金卷材；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为所述第一钛合金卷材厚度×(1.0～1.5)min/mm；
步骤7：对所述第二钛合金卷材进行5～9道次冷轧，得到成品钛合金卷材；其中，所述第二钛合金卷材的总变形量达到40～60％；
步骤8：对所述成品钛合金卷材进行真空热处理，冷却得到具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为成品钛合金卷材厚度×(1.0～1.5)min/mm。
进一步地，所述步骤4、步骤6和步骤8中，所述钛合金热轧带卷、所述第一钛合金卷材以及所述成品钛合金卷材真空热处理后进行冷却时，均需通入惰性气体然后随炉冷却至小于100℃后出炉。
进一步地，所述步骤1中，真空自耗熔炼的熔炼电压为20～40V，熔炼电流为18～40kA。
本发明的有益效果：
1、本发明的钛合金在塑性较纯钛没有明显降低的前提下，极大的提高了合金的高温性能。该合金应用后，在满足强度等要求的情况下，极大的提高了合金的高温抗氧化性能；除卷材外，也可加工为板、棒、管等不同材料，满足各种需求高塑性、抗氧化性低强度材料的要求。
2、使用本发明的钛合金卷材不但可以使汽车排气筒的使用寿命延长，且由于其重量减轻，降低了汽车的燃料消耗。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明实施例提供了一种具有良好冷成型性的耐热钛合金，该耐热钛合金包括以重量百分比计的以下组分：Al：0.5～2.0％；Si：0.05～0.3％；余量为Ti和不可避免的杂质元素。
其中，杂质元素的成分及含量分别为：Fe≤0.30％，C≤0.05％，N≤0.04％，H≤0.015％，O≤0.15％。
本发明的钛合金是在工业纯钛的基础上，根据强度计算及各合金元素在钛合金中的特点，添加了少量廉价合金元素Al、Si，产品的材料成本不高于工业纯钛及其它同强度水平的钛合金，同时材料的加工性能较好，加工成本并不高于工业纯钛及其它同强度水平的钛合金。
该钛合金可用于各种需求高塑性，抗氧化性低强度材料的场所，且可加工为卷、板、棒、管等不同形状。
实施例2
本发明实施例在实施例1中耐热钛合金的基础上，提供了一种具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材的制备方法，该耐热钛合金卷材的厚度为0.9mm；具体包括以下步骤：
步骤1：将原料按下述重量百分比进行配料：Al：0.5～2.0％；Si：0.05～0.3％；余量为Ti和不可避免的杂质元素。
其中，杂质元素的成分和含量分别为：Fe≤0.30％，C≤0.05％，N≤0.04％，H≤0.015％，O≤0.15％。
步骤2：将上述的原料在真空自耗电弧炉中进行真空自耗熔炼，得到钛合金圆形铸锭。
将上述的原料压制成电极，将电极在真空自耗电弧炉中进行2次真空自耗熔炼，其中，熔炼电压为20～40V，熔炼电流为18～40kA，得到的圆形铸锭的规格为Φ940mm～Φ1040mm；其中，Φ表示直径。
步骤3：将上述的钛合金圆形铸锭加热到α→β相变点以上100～200℃，进行1火次开坯锻造，得到钛合金板坯；其中，钛合金圆形铸锭的总变形量达到60～80％。
步骤4：将上述钛合金板坯加热并保温后进行1火次热轧，并卷曲成钛合金热轧带卷；其中，钛合金板坯的总变形量达到80～98.5％，加热温度为上述钛合金板坯α→β相变点以上20～60℃，加热时间为板坯厚度mm×(1.0～1.5)min/mm。
步骤5：将上述的钛合金热轧带卷进行真空热处理，冷却得到钛合金冷轧坯料；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为钛合金热轧带卷厚度mm×(1.0～1.5)min/mm；热处理炉内真空度不大于10-3Pa；冷却时，需在热处理炉内通入氩气，使炉内压力为25Pa，然后随炉冷却至小于100℃后出炉。
步骤6：对上述冷轧钛合金坯料进行5～7道次冷轧，得到第一钛合金卷材；其中，冷轧钛合金坯料的总变形量达到40～60％。
其中，每道次冷轧钛合金坯料的变形量为10～20％。
步骤7：对上述第一钛合金卷材进行真空热处理，冷却得到第二钛合金卷材；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为所述第一钛合金卷材厚度mm×(1.0～1.5)min/mm；热处理炉内真空度不大于10-3Pa；冷却时，需在热处理炉内通入氩气，使炉内压力为25Pa，然后随炉冷却至小于100℃后出炉。
步骤8：对上述第二钛合金卷材进行6～9道次冷轧，得到0.9mm的成品钛合金卷材；其中，第二钛合金卷材的总变形量达到40～60％。
其中，每道次第二钛合金卷材的变形量为5～20％。
步骤9：对上述成品钛合金卷材进行真空热处理，冷却得到具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为成品钛合金卷材厚度mm×(1.0～1.5)min/mm；热处理炉内真空度不大于10-3Pa；冷却时，需在热处理炉内通入氩气，使炉内压力为25Pa，然后随炉冷却至小于100℃后出炉。
经步骤9得到的钛合金卷材的性能如表1所示：
表1 0.9mm的Ti-0.5～1.8Al-0.05～0.3Si钛合金卷材的性能
Figure BDA0002973359340000061
采用与本发明类似的工艺制备的0.9mm的Gr.37合金卷材的性能如表2所示：
表2 0.9mm的Gr.37合金的性能
Figure BDA0002973359340000062
采用与本发明类似的工艺制备的0.9mm的TA2钛合金的性能如表3所示：
表3 0.9mm的TA2钛合金的性能
Figure BDA0002973359340000071
由表1和表3对比可知，本发明的钛合金卷材在100～500℃高温塑性无明显下降的前提下强度优与Gr.37；600～700℃高温强度及延伸率均优于Gr.37；在400～700℃高温强度基本为TA2的二倍以上；600～700℃时延伸率优于TA2。
三种合金的杯突及弯曲性能如表4所示：
表4三种合金的杯突及弯曲性能
牌号 厚度(mm) 杯突 弯曲
Ti-0.5～1.8Al-0.05～0.3Si 0.9 7.3～8.0 2T/180°合格
Gr.37 0.9 5.7～7.7 2T/180°合格
TA2 0.9 9.4～9.9 2T/180°合格
由表4中三种合金的弯曲及杯突结果来看，本发明合金弯曲性能与TA2、Gr.37相当，杯突值略优于Gr.37。
通过深冲试验验证本发明钛合金的冷成型性，同样得出，其冷成型性能良好。
通过同步热分析技术分析700℃时的实际试样质量，试验表明，本发明的钛合金在700℃温度范围内具有良好的抗氧化性能，同样证明了该钛合金具有良好的耐热性能。
实施例3
本发明实施例在实施例1中耐热钛合金的基础上，提供了一种具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材的制备方法，该耐热钛合金卷材的厚度为1.2mm；具体包括以下步骤：
步骤1：将原料按下述重量百分比进行配料：Al：0.5～2.0％；Si：0.05～0.3％；余量为Ti和不可避免的杂质元素。
其中，杂质元素的成分和含量分别为：Fe≤0.30％，C≤0.05％，N≤0.04％，H≤0.015％，O≤0.15％。
步骤2：将上述的原料在真空自耗电弧炉中进行真空自耗熔炼，得到钛合金圆形铸锭。
将上述的原料压制成电极，将电极在真空自耗电弧炉中进行2次真空自耗熔炼，其中，熔炼电压为20～40V，熔炼电流为18～40kA，得到的圆形铸锭的规格为Φ940mm～Φ1040mm；其中，Φ表示直径。
步骤3：将上述的钛合金圆形铸锭加热到α→β相变点以上100～200℃，进行1火次开坯锻造，得到钛合金板坯；其中，钛合金圆形铸锭的总变形量达到60～80％。
步骤4：将上述钛合金板坯加热并保温后进行1火次热轧，并卷曲成钛合金热轧带卷；其中，钛合金板坯的总变形量达到80～98.5％，加热温度为上述钛合金板坯α→β相变点以上20～60℃，加热时间为板坯厚度mm×(1.0～1.5)min/mm。
步骤5：将上述的钛合金热轧带卷进行真空热处理，冷却得到钛合金冷轧坯料；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为钛合金热轧带卷厚度×(1.0～1.5)min/mm；热处理炉内真空度不大于10-3Pa；冷却时，需在热处理炉内通入氩气，使炉内压力为25Pa，然后随炉冷却至小于100℃后出炉。
步骤6：对上述冷轧钛合金坯料进行5～7道次冷轧，得到第一钛合金卷材；其中，冷轧钛合金坯料的总变形量达到40～60％。
其中，每道次冷轧钛合金坯料的变形量为10～20％。
步骤7：对上述第一钛合金卷材进行真空热处理，冷却得到第二钛合金卷材；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为所述第一钛合金卷材厚度×(1.0～1.5)min/mm；热处理炉内真空度不大于10-3Pa；冷却时，需在热处理炉内通入氩气，使炉内压力为25Pa，然后随炉冷却至小于100℃后出炉。
步骤8：对上述第二钛合金卷材进行5～8道次冷轧，得到1.2mm的成品钛合金卷材；其中，第二钛合金卷材的总变形量达到40～60％。
其中，每道次第二钛合金卷材的变形量为8～20％。
步骤9：对上述成品钛合金卷材进行真空热处理，冷却得到具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为成品钛合金卷材厚度×(1.0～1.5)min/mm，热处理炉内真空度不大于10-3Pa；冷却时，需在热处理炉内通入氩气，使炉内压力为25Pa，然后随炉冷却至小于100℃后出炉。
经步骤9得到的钛合金卷材的性能如表5所示：
表5 1.2mm的Ti-0.5～1.8Al-0.05～0.3Si钛合金卷材的性能
Figure BDA0002973359340000091
Figure BDA0002973359340000101
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有良好冷成型性的耐热钛合金，其特征在于，所述耐热钛合金包括以重量百分比计的以下组分：Al：0.5～2.0％；Si：0.05～0.3％；余量为Ti和不可避免的杂质元素。
2.一种具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：根据权利要求1所述的耐热钛合金的组成成分配比原料，然后在真空自耗电弧炉中进行真空自耗熔炼，得到钛合金圆形铸锭；
步骤2：将所述钛合金圆形铸锭加热到α→β相变点以上100～200℃，进行开坯锻造，得到钛合金板坯；其中，所述钛合金圆形铸锭的总变形量达到60～80％；
步骤3：将所述钛合金板坯加热并保温后进行热轧，并卷曲成钛合金热轧带卷；其中，所述钛合金板坯的总变形量达到80～98.5％，加热温度为所述钛合金板坯α→β相变点以上20～60℃，加热时间为板坯厚度×(1.0～1.5)min/mm；
步骤4：将所述钛合金热轧带卷进行真空热处理，冷却得到钛合金冷轧坯料；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为所述钛合金热轧带卷厚度×(1.0～1.5)min/mm；
步骤5：对所述冷轧钛合金坯料进行5～7道次冷轧，得到第一钛合金卷材；其中，所述冷轧钛合金坯料的总变形量达到40～60％；
步骤6：对所述第一钛合金卷材进行真空热处理，冷却得到第二钛合金卷材；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为所述第一钛合金卷材厚度×(1.0～1.5)min/mm；
步骤7：对所述第二钛合金卷材进行5～9道次冷轧，得到成品钛合金卷材；其中，所述第二钛合金卷材的总变形量达到40～60％；
步骤8：对所述成品钛合金卷材进行真空热处理，冷却得到具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材；其中，热处理温度为600～650℃，热处理时间为成品钛合金卷材厚度×(1.0～1.5)min/mm。
3.根据权利要求2所述的具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材的制备方法，其特征在于，所述步骤4、步骤6和步骤8中，所述钛合金热轧带卷、所述第一钛合金卷材以及所述成品钛合金卷材真空热处理后进行冷却时，均需通入惰性气体然后随炉冷却至小于100℃后出炉。
4.根据权利要求2所述的具有良好冷成型性的耐热钛合金卷材的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，真空自耗熔炼的熔炼电压为20～40V，熔炼电流为18～40kA。
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