CN114182137B

CN114182137B - 一种20k超低温用高强塑钛合金

Info

Publication number: CN114182137B
Application number: CN202111512170.4A
Authority: CN
Inventors: 侯智敏; 康聪; 陆子川; 李维; 王云; 王兴; 张智; 贠鹏飞; 任利娜
Original assignee: WESTERN TITANIUM TECHNOLOGIES CO LTD
Current assignee: WESTERN TITANIUM TECHNOLOGIES CO LTD
Priority date: 2021-12-08
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2041-12-08
Also published as: CN114182137A

Abstract

本发明公开了一种20K超低温用高强塑钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 3.0％～5.0％，Zr 1.0％～3.0％，Mo 0.5％～2.0％，V 0.5％～2.5％，Nb 0.2％～1.0％，O≤0.13％，余量为Ti和不可避免的杂质；该钛合金经简单退火或双重退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度大于1450MPa，断后伸长率大于8％。本发明通过控制钛合金的Aleq以显著强化α相，保证钛合金具有良好的超低温强塑性匹配，通过控制Moeq以获得更佳的低温固溶强化效果，减少对钛合金低温塑性的损害，共同提高了20K超低温条件下钛合金的强度兼具良好的低温塑性，适用于制备复杂结构的超低温用结构件。

Description

一种20K超低温用高强塑钛合金

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种20K超低温用高强塑钛合金。

背景技术

相比于不锈钢、镁铝等低温工程用材料，钛合金具有更高的比强度、更好的低温韧性且低温下具有热传导率低、膨胀系数小等优点，因此其作为一种低温工程材料在航天领域应用越来越广泛，钛合金低温应用技术也成为衡量各国航天火箭技术的重要指标。目前，国内常用20K超低温用钛合金主要是TA7ELI(Ti-5Al-2.5Sn)，其在20K超低温抗拉强度可达到1300MPa以上，延伸率≥9％。该合金作通过工艺调整，其20K低温强度虽然可以达到1400MPa以上，但是低温塑性下降显著，无法满足使用要求；且合金中几乎不含β稳定元素，热加工塑性较差，α-β相区成型困难，导致生产周期长、生产成本居高不下。我国自行研制的CT20钛合金虽然具有良好的热塑性，但20K超低温抗拉强度一般在1200MPa左右，延伸率≥10％。随着我国航天事业的发展，以及更高推比火箭的需求迫切，亟需开发一种1450MPa级的新型超低温高强塑钛合金，且要求合金具有良好的热加工塑性，从而有效降低生产周期及生产成本。

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20K超低温用高强塑钛合金。该方法对钛合金的成分进行设计，通过控制钛合金的3.5≤Aleq≤5.2，以显著强化α相，获得更佳的低温固溶强化效果，且保证钛合金具有良好的超低温强塑性匹配，通过控制1.0≤Moeq≤2.8，以获得更佳的低温固溶强化效果，并减少对钛合金低温塑性的损害，共同提高了20K超低温条件下钛合金的强度，且保证了钛合金具有良好的低温塑性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al3.0％～5.0％，Zr 1.0％～3.0％，Mo0.5％～2.0％，V 0.5％～2.5％，Nb 0.2％～1.0％，O≤0.13％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述钛合金经简单退火或双重退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度大于1450MPa，断后伸长率大于8％。

钛合金在20K超低温条件下的主要变形机制为α相的孪生变形机制。β相在低温下的变形机制主要为层错机制，且随着变形温度的降低，层错能启动阀值增加、导致β相低温脆性增加。钛合金中α相低温强度随Al当量(Aleq)增加而增加，但低温塑性下降，β相显著提高合金的低温强度，但会损害钛合金的低温塑性。针对于现有常用的α型超低温用高强钛合金热塑性较差、无法高效低成本生产的问题，以及近α型超低温用钛合金热加工塑性良好、但20K超低温下强度无法满足航天工业发展需求的问题，本发明对钛合金的成分进行设计，通过控制钛合金的Aleq≥3.5，以显著强化α相，获得更佳的低温固溶强化效果，同时控制Aleq≤5.2，保证钛合金具有良好的超低温强塑性匹配，通过控制Moeq≥1.0，以获得更佳的低温固溶强化效果，同时控制Moeq≤2.8，减少对钛合金低温塑性的损害，上述综合作用提高了20K超低温条件下钛合金的强度，且保证了钛合金具有良好的低温塑性。

针对于α相在20K超低温条件的主要变形机制为孪生变形，而合金元素的增加通常会造成晶格畸变，使得密排六方结构的α相轴比c/a发生变化、不利于孪生的问题，本发明选用最接近钛合金晶体结构的Zr元素作为强化元素，与Al元素高效耦合强化α相，在高效强化的同时，进一步保证了钛合金具有良好的低温塑性。

本发明采用Mo-V-Nb系共同强化超低温钛合金的β相，由于Mo、V、Nb均在β相中无限固溶，不会与钛合金发生共析反应，避免了对钛合金低温性能的严重损害，该多元素联合强化具有更高效的耦合强化效果，进一步提高了强化效果。

本发明中钼当量(Moeq)和铝当量(Aleq)的计算公式分别为：

Moeq＝1.0Mo+0.2Ta+0.4W+0.67V+1.25Cr+1.25Ni+1.7Mn+1.7Co+2.5Fe+0.28Nb

Aleq＝1.0Al+1/3Sn+1/6Zr+10O+10C+20N

上述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 3.0％，Zr 3.0％，Mo 0.5％，V 1.0％，Nb 1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 3.5％，Zr 2.0％，Mo 2.0％，V 0.5％，Nb0.8％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.0％，Zr 2.0％，Mo 0.7％，V 1.0％，Nb 0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％，Zr 2.0％，Mo 1.5％，V 2.5％，Nb 0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.0％，Zr 1.0％，Mo 0.5％，V 0.8％，Nb 0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，所述简单退火的具体过程为：在温度650℃～800℃保温1h后空冷；所述双重退火的具体过程为：先在920℃～960℃保温1h后空冷，然后在600℃～750℃保温1h～2h后空冷。

本发明20K超低温用高强塑钛合金的常规制备方法为：首先根据需要选择合适的原料并按设计成分配比、混料、压制电极，再用真空自耗电弧炉熔炼三次得到钛合金铸锭，然后将钛合金铸锭扒皮并切除冒口、锭底后在压机上反复镦拔，最后在压机、轧机等设备上制备成饼材或棒材型材。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明对钛合金的成分进行设计，通过控制钛合金的3.5≤Aleq≤5.2，以显著强化α相，获得更佳的低温固溶强化效果，且保证钛合金具有良好的超低温强塑性匹配，通过控制1.0≤Moeq≤2.8，以获得更佳的低温固溶强化效果，并减少对钛合金低温塑性的损害，共同提高了20K超低温条件下钛合金的强度，且保证了钛合金具有良好的低温塑性。

2、本发明的钛合金经过热处理后在20K超低温条件下抗拉强度大于1450MPa，断后伸长率大于8％，具有更出色的强韧性匹配，且热加工塑性良好。

3、本发明的钛合金在20K超低温条件下抗拉强度高于现有的TA7ELI，热加工塑性也明显优于TA7ELI，且热塑性与CT20相当，但低温强度远优于CT20，适用于制备复杂结构的超低温用结构件。

4、本发明的钛合金可以制备成包括饼材、棒材及锻件等不同类型的产品，力学性能均具有良好的20K超低温强塑性匹配效果，扩大了钛合金的应用范围。

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3的20K超低温用高强塑钛合金棒材的金相组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的20K超低温用高强塑钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al3.0％，Zr 3.0％，Mo 0.5％，V 1.0％，Nb 1.0％，O 0.05％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例的20K超低温用高强塑钛合金的制备过程为：采用海绵钛、海绵锆、Al豆、AlV55、AlMo65、AlNb60按设计成分配比混料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行三次真空自耗电弧熔炼得到钛合金铸锭，然后将钛合金铸锭扒皮并切除冒口、锭底后在压机上进行一火镦拔，镦拔温度为1150℃，变形量为160％，继续在压机上进行一火次拔长，拔长温度为1070℃，变形量为72％，随后在精锻机上进行两火精锻，精锻温度为950℃，总变形量为86％，最后在轧机上进行一火轧制，轧制温度为880℃，轧制变形量为91％，最终得到直径Φ16mm钛合金棒材。

经检测，本实施例的钛合金棒材经800℃保温1h后空冷的简单退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度Rm为1486MPa，断后伸长率A为19.3％。

实施例2

本实施例的20K超低温用高强塑钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al3.5％，Zr 2.0％，Mo 2.0％，V 0.5％，Nb 0.8％，O 0.05％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例的20K超低温用高强塑钛合金的制备过程为：采用海绵钛、海绵锆、Al豆、AlV55、AlMo65、AlNb60按设计成分配比混料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行三次真空自耗电弧熔炼得到钛合金铸锭，然后将钛合金铸锭扒皮并切除冒口、锭底后在压机上进行四火镦拔，镦拔温度分别为1150℃、1050℃、920℃、920℃，总火次变形量为160％，最后分切下料后在压机上进行一火镦饼，镦饼温度为920℃，变形量为60％，最终得到Φ160×50mm(直径×厚度)的钛合金饼材。

经检测，本实施例的钛合金饼材经650℃保温1h后空冷的简单退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度Rm为1526MPa，断后伸长率A为16.2％。

实施例3

本实施例的20K超低温用高强塑钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al4.0％，Zr 2.0％，Mo 0.7％，V 1.0％，Nb 0.5％，O 0.06％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例的20K超低温用高强塑钛合金的制备过程为：采用海绵钛、海绵锆、Al豆、AlV55、AlMo65、AlNb60按设计成分配比混料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行三次真空自耗电弧熔炼得到钛合金铸锭，然后将钛合金铸锭扒皮并切除冒口、锭底后在压机上进行一火镦拔，镦拔温度为1150℃，变形量为160％，继续在压机上进行一火次拔长，拔长温度为1070℃，变形量为72％，随后在精锻机上进行两火精锻，精锻温度为950℃，总变形量为86％，最后在轧机上进行一火轧制，轧制温度为910℃，轧制变形量为91％，最终得到直径Φ16mm钛合金棒材。

经检测，本实施例的钛合金棒材经960℃保温1h后空冷、然后600℃保温1h后空冷的双重退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度Rm为1525MPa，断后伸长率A为16.2％。

图1为本实施例的20K超低温用高强塑钛合金棒材的金相组织图，从图1可知，经双重退火后该钛合金棒材的显微组织由少量初生等轴α相及β基体构成，且组织均匀细小。

实施例4

本实施例的20K超低温用高强塑钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al4.5％，Zr 2.0％，Mo 1.5％，V 2.5％，Nb 0.5％，O 0.13％，余量为Ti和不可避免的杂质。

经检测，本实施例的钛合金棒材经800℃保温1h后空冷的简单退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度Rm为1509MPa，断后伸长率A为17.3％；本实施例的钛合金棒材经940℃保温1h后空冷、然后在700℃保温1h后空冷的双重退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度Rm为1636MPa，断后伸长率A为9.6％。

实施例5

本实施例的20K超低温用高强塑钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al5.0％，Zr 1.0％，Mo 0.5％，V 0.8％，Nb 0.2％，O 0.05％，余量为Ti和不可避免的杂质。

经检测，本实施例的钛合金饼材经940℃保温1h后空冷、然后在700℃保温1h后空冷的双重退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度Rm为1531MPa，断后伸长率A为13.5％。

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20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al3.0%~5.0%，Zr 1.0%~3.0%，Mo 0.5%~2.0%，V 0.5%~2.5%，Nb 0.2%~1.0%，O≤0.13%，余量为Ti和不可避免的杂质；所述钛合金经简单退火或双重退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度大于1450MPa，断后伸长率大于8%；所述简单退火的具体过程为：在温度650℃~800℃保温1h后空冷；所述双重退火的具体过程为：先在920℃~960℃保温1h后空冷，然后在600℃~750℃保温1h~2h后空冷。

2.根据权利要求1所述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 3.0%，Zr 3.0%，Mo 0.5%，V 1.0%，Nb 1.0%，余量为Ti和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 3.5%，Zr 2.0%，Mo 2.0%，V 0.5%，Nb 0.8%，余量为Ti和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.0%，Zr 2.0%，Mo 0.7%，V 1.0%，Nb 0.5%，余量为Ti和不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5%，Zr 2.0%，Mo 1.5%，V 2.5%，Nb 0.5%，余量为Ti和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.0%，Zr 1.0%，Mo 0.5%，V 0.8%，Nb 0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。