CN114657416A

CN114657416A - 一种焊接性能优良的低温高强钛合金

Info

Publication number: CN114657416A
Application number: CN202210353631.6A
Authority: CN
Inventors: 郭荻子; 应扬; 赵秦阳; 李婷; 屈磊; 邹磊; 杜宇; 解子人; 赵圣泽; 苏航标; 王晓
Original assignee: Changan University; Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Changan University; Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2042-04-06
Also published as: CN114657416B

Abstract

本发明公开了一种焊接性能优良的低温高强钛合金，由以下质量百分比的成分组成：W 1.0％～3.0％，Zr 14.0％～16.0％，余量为钛和不可避免的杂质。本发明通过在钛合金中添加Zr元素和W元素，并控制两种元素的加入量和加入总量，有效保证了钛合金具有良好的低温强度，减少了对钛合金塑性的不利影响，W、Zr两种合金元素的合理搭配使得钛合金具有室温条件下15％以上的塑性及良好的冷热加工能力和焊接性能，组织均匀稳定，可以加工成各规格管材、棒材、板材等，满足工程批量化生产要求，在液体火箭发动机等航空领域具有广阔用途。

Description

一种焊接性能优良的低温高强钛合金

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种焊接性能优良的低温高强钛合金。

背景技术

钛合金目前已经在航空航天领域获得了较大规模应用，以钛制零部件取代传统钢结构大幅度提高了火箭发动机的推重比，增加了火箭发射能力和设备工作可靠性。我国大推力火箭主要采用液体发动机，尤其是目前在用的长征五号系列火箭，其一级和二级氢氧发动机的液氢系统重要零部件均采用钛合金制备。随着探月工程和火星探测计划的进一步开展，对重运载大推力火箭发动机的需求愈加紧迫，也对各级发动机的推重比和安全性提出了更高要求，即对液体火箭发动机用低温钛合金的性能也提出了更严苛的要求。一方面，航天器结构材料在低温下必须具备足够的强度和韧性，而火箭发动机相关构件的设计安全系数通常采用屈服强度进行校核，基于载人航天的安全性和可靠性考虑，大推力液体火箭发动机对低温钛合金的屈服强度要求更高；另一方面，航天器零件结构复杂、形状多样，尤其是管路系统中涉及大量钛合金无缝管及各种异形管件，这就要求所用材料必须在室温下具有良好的弯曲、拉伸等成形能力，以利于其成形和制造，亦即要求合金在室温下应具备良好的强塑性匹配；与此同时，低温系统零部件之间的连接装配无法避免使用焊接结构，因此液体火箭发动机用的低温钛合金还必须具备良好的焊接性能，并具备较高的低温焊接强度。TA34钛合金是目前一种比较成熟的低温钛合金，成形性能良好且具备一定的可焊性，但是该钛合金在液氢温度(20K)下的屈服强度为1200MPa级，难以满足我国大推力火箭设计结构中对钛合金在20K提出的更高要求。传统的TC4ELI和TA7ELI等低温钛合金冷成形性能较差，仅能够采用热加工和机械加工的方式制备法兰、机架等简单结构件，无法实现低温系统管路中大量需求的无缝管及系列异形管件的批量制备，导致合金无法推广使用。因此亟需研发一种具有优良低温综合性能且焊接性能、成形性能良好的新型低温高强钛合金。

授权公告号CN 106507834B的专利公开了一种近α型超低温钛合金，其冷轧板材20K下的抗拉强度达到1300MPa级，延伸率12％左右。与传统α钛合金的简单退火工艺不同，该合金需要采用α-β转变温度以下5℃～25℃的复杂分级缓冷热处理工艺才能实现上述性能控制，生产效率低下，且接近相变点的热处理温度导致退火变形严重、成品率低，不利于材料实现大批量工程化制备。

授权公告号CN 103627928B的专利公开了一种Ti-Al-Nb-Mo系低温高强两相钛合金，20K下低温强度可达1400MPa以上，但其屈服强度仅为1100MPa级，作为结构件使用时安全系数较低。同时，α+β型两相钛合金的焊接操作性和焊接接头性能稳定性与α型钛合金相比均存在明显不足，该合金作为典型的两相钛合金，容易在焊接过程中生成亚稳相导致焊接接头塑性降低，从而造成材料使用安全性降低。为保证低温性能，该合金在成品前还需进行双重退火，该退火工艺比常规热处理工艺复杂，不适用于在液体火箭发动机领域推广使用。

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，提供一种焊接性能优良的低温高强钛合金。该钛合金中通过添加质量百分比14.0％～16.0％的Zr元素、质量百分比1.0％～3.0％的W元素，并将W、Zr的总质量百分比控制在19％以内，有效保证了钛合金具有良好的低温强度，减少了对钛合金塑性的不利影响，W、Zr两种合金元素的合理搭配使得钛合金具有室温条件下15％以上的塑性及良好的冷热加工能力和焊接性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W1.0％～3.0％，Zr 14.0％～16.0％，余量为钛和不可避免的杂质；所述钛合金在温度为20K低温条件下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1450MPa，屈服强度Rp_0.2≥1250MPa，延伸率A≥10％，钛合金的焊接接头在20K低温条件下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1400MPa，屈服强度Rp_0.2≥1180MPa，延伸率A≥10％。

上述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2.5％，Zr 14.5％，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 1.0％，Zr 15.5％，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2.0％，Zr 15.0％，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 1.5％，Zr 16.0％，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 3.0％，Zr 14.0％，余量为钛和不可避免的杂质。

本发明焊接性能优良的低温高强钛合金的制备方法为钛合金的常规制备方法：首先根据设计成分选择合适的原料配比压制电极，然后通过真空自耗电弧炉进行至少两次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭扒皮并去除冒口和尾部，在液压锻造机、锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造，开坯锻造加热温度为1150℃，火次变形量不小于50％，随后在950℃～1050℃温度区间进行多火次反复镦拔锻造成厚板坯，单火次变形量不小于70％，再将厚板坯在800℃～900℃进行多火次热轧减薄，单火次热轧变形量不小于50％，最后冷轧成厚度δ1.5mm～3.0mm的板材，冷轧变形量不小于50％；将板材进行700℃～800℃热处理得到成品钛合金板材。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过在钛合金中添加质量百分比14.0％～16.0％的Zr元素、质量百分比1.0％～3.0％的W元素，并将W、Zr的总质量百分比控制在19％以内，有效保证了钛合金具有良好的低温强度，减少了对钛合金塑性的不利影响，W、Zr两种合金元素的合理搭配使得钛合金具有室温条件下15％以上的塑性及良好的冷热加工能力和焊接性能。

2、本发明的钛合金中添加有质量百分比14.0％～16.0％的Zr元素，室温下近α钛合金的塑性变形机制为滑移，而在20K低温下近α钛合金中的临界滑移切应力显著提高，材料的低温强度也得以提高，而临界孪生切应力基本不变，此时主要塑性变形机制转变为孪生，本发明添加的Zr元素在钛合金中与钛形成无限固溶体，增加了钛合金低温下的孪生倾向，使得钛合金保持良好的低温塑性，同时，Zr原子置换了钛晶胞中的钛原子，引起钛合金的晶格畸变，增加了位错滑移的难度，显著提高了钛合金的低温强度。

3、本发明的钛合金中添加有质量百分比1.0％～3.0％的W元素，通过添加β稳定元素W，使其固溶于β钛中以进一步提高钛合金的低温强度，并严格控制W元素的加入量，避免了过多的W元素导致钛合金在焊接过程中形成更多的硬脆相，降低焊接接头塑性，同时避免了过多的W元素导致钛合金熔炼过程中产生偏析夹杂，保证了钛合金的质量。

4、本发明的钛合金成分简单，仅需添加两种合金元素，易于熔炼制备，且钛合金具有良好的冷热加工能力和焊接性能，组织均匀稳定，可以加工成各规格管材、棒材、板材等，满足工程批量化生产要求。

5、本发明的钛合金通过简单热处理后即可获得高的低温强度，该钛合金在温度为20K低温条件下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1450MPa，屈服强度Rp_0.2≥1250MPa，延伸率A≥10％，钛合金的焊接接头在20K低温条件下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1400MPa，屈服强度Rp_0.2≥1180MPa，延伸率A≥10％。

6、与传统的低温钛合金相比，本发明的钛合金具有更好的室温、低温综合力学性能且焊接性能优良，满足深空探索对液体火箭发动机用低温钛合金提出的更高要求。

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例1

本实施例钛合金的名义成分为Ti-2.5W-14.5Zr，由以下质量百分比的成分组成：W2.5％，Zr 14.5％，余量为钛和不可避免的杂质。

本实施例钛合金的制备方法为：将钨粉、海绵锆和0级海绵钛原料按名义成分Ti-2.5W-14.5Zr配料，将各原料混合均匀后压制电极，然后通过真空自耗电弧炉进行三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭扒皮并去除冒口和尾部，在自由锻造设备上进行开坯锻造，开坯锻造加热温度为1150℃，火次变形量为60％，随后在950℃～1050℃温度区间进行多火次反复镦拔锻造成厚度60mm的厚板坯，单火次变形量为75％，再将厚板坯在800℃～900℃进行多火次热轧减薄成厚度4mm的板材，单火次热轧变形量为55％，最后冷轧成厚度δ1.5mm的钛合金板材，冷轧变形量为62.5％，将钛合金板材进行800℃下保温1h的热处理得到成品钛合金板材；将成品钛合金板材进行氩弧焊接，并测试焊接接头处的力学性能。

经检测，本实施例的钛合金板材经800℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝713MPa，屈服强度Rp_0.2＝568MPa，A＝17.0％；20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1500MPa，屈服强度Rp_0.2＝1280MPa，A＝13.0％；焊接接头20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1425MPa，屈服强度Rp_0.2＝1215MPa，A＝12.5％。

实施例2

本实施例钛合金的名义成分为Ti-1.0W-15.5Zr，由以下质量百分比的成分组成：W1.0％，Zr 15.5％，余量为钛和不可避免的杂质。

本实施例钛合金的制备方法为：将钨粉、海绵锆和0级海绵钛原料按名义成分Ti-1.0W-15.5Zr配料，将各原料混合均匀后压制电极，然后通过真空自耗电弧炉进行三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭扒皮并去除冒口和尾部，在自由锻造设备上进行开坯锻造，开坯锻造加热温度为1150℃，火次变形量为65％，随后在950℃～1050℃温度区间进行多火次反复镦拔锻造成厚度60mm的厚板坯，单火次变形量为70％，再将厚板坯在800℃～900℃进行多火次热轧减薄成厚度5mm的板材，单火次热轧变形量为50％，最后冷轧成厚度δ2.0mm的钛合金板材，冷轧变形量为60％，将钛合金板材进行800℃下保温1h的热处理得到成品钛合金板材；将成品钛合金板材进行氩弧焊接，并测试焊接接头处的力学性能。

经检测，本实施例的钛合金板材经800℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝730MPa，屈服强度Rp_0.2＝585MPa，A＝18.5％；20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1490MPa，屈服强度Rp_0.2＝1310MPa，A＝13.5％；焊接接头20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1418MPa，屈服强度Rp_0.2＝1258MPa，A＝13.0％。

实施例3

本实施例钛合金的名义成分为Ti-2.0W-15.0Zr，由以下质量百分比的成分组成：W2.0％，Zr 15.0％，余量为钛和不可避免的杂质。

本实施例钛合金的制备方法为：将钨粉、海绵锆和0级海绵钛原料按名义成分Ti-2.0W-15.0Zr配料，将各原料混合均匀后压制电极，然后通过真空自耗电弧炉进行三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭扒皮并去除冒口和尾部，在自由锻造设备上进行开坯锻造，开坯锻造加热温度为1150℃，火次变形量为60％，随后在950℃～1050℃温度区间进行多火次反复镦拔锻造成厚度70mm的厚板坯，单火次变形量为75％，再将厚板坯在800℃～900℃进行多火次热轧减薄成厚度4mm的板材，单火次热轧变形量为55％，最后冷轧成厚度δ1.5mm的钛合金板材，冷轧变形量为62.5％，将钛合金板材进行800℃下保温1h的热处理得到成品钛合金板材；将成品钛合金板材进行氩弧焊接，并测试焊接接头处的力学性能。

经检测，本实施例的钛合金板材经800℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝724MPa，屈服强度Rp_0.2＝582MPa，A＝17.5％；20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1515MPa，屈服强度Rp_0.2＝1290MPa，A＝15.0％；焊接接头20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1442MPa，屈服强度Rp_0.2＝1218MPa，A＝13.0％。

实施例4

本实施例钛合金的名义成分为Ti-1.5W-16.0Zr，由以下质量百分比的成分组成：W1.5％，Zr 16.0％，余量为钛和不可避免的杂质。

本实施例钛合金的制备方法为：将钨粉、海绵锆和0级海绵钛原料按名义成分Ti-1.5W-16.0Zr配料，将各原料混合均匀后压制电极，然后通过真空自耗电弧炉进行三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭扒皮并去除冒口和尾部，在自由锻造设备上进行开坯锻造，开坯锻造加热温度为1150℃，火次变形量为60％，随后在950℃～1050℃温度区间进行多火次反复镦拔锻造成厚度70mm的厚板坯，单火次变形量为72％，再将厚板坯在800℃～900℃进行多火次热轧减薄成厚度6mm的板材，单火次热轧变形量为60％，最后冷轧成厚度δ3.0mm的钛合金板材，冷轧变形量为50％，将钛合金板材进行800℃下保温1h的热处理得到成品钛合金板材；将成品钛合金板材进行氩弧焊接，并测试焊接接头处的力学性能。

经检测，本实施例的钛合金板材经800℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝746MPa，屈服强度Rp_0.2＝589MPa，A＝16.5％；20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1520MPa，屈服强度Rp_0.2＝1315MPa，A＝14.0％；焊接接头20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1437MPa，屈服强度Rp_0.2＝1220MPa，A＝13.0％。

实施例5

本实施例钛合金的名义成分为Ti-3.0W-14.0Zr，由以下质量百分比的成分组成：W3.0％，Zr 14.0％，余量为钛和不可避免的杂质。

本实施例钛合金的制备方法为：将钨粉、海绵锆和0级海绵钛原料按名义成分Ti-3.0W-14.0Zr配料，将各原料混合均匀后压制电极，然后通过真空自耗电弧炉进行三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭扒皮并去除冒口和尾部，在自由锻造设备上进行开坯锻造，开坯锻造加热温度为1150℃，火次变形量为65％，随后在950℃～1050℃温度区间进行多火次反复镦拔锻造成厚度60mm的厚板坯，单火次变形量为75％，再将厚板坯在800℃～900℃进行多火次热轧减薄成厚度5mm的板材，单火次热轧变形量为65％，最后冷轧成厚度δ2.0mm的钛合金板材，冷轧变形量为60％，将钛合金板材进行800℃下保温1h的热处理得到成品钛合金板材；将成品钛合金板材进行氩弧焊接，并测试焊接接头处的力学性能。

经检测，本实施例的钛合金板材经800℃/1h热处理后的性能为：298K室温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝703MPa，屈服强度Rp_0.2＝570MPa，A＝17.5％；20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1490MPa，屈服强度Rp_0.2＝1325MPa，A＝13.5％；焊接接头20K低温条件下的拉伸性能：抗拉强度Rm＝1428MPa，屈服强度Rp_0.2＝1215MPa，A＝11.5％。

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

1.一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 1.0％～3.0％，Zr 14.0％～16.0％，余量为钛和不可避免的杂质；所述钛合金在温度为20K低温条件下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1450MPa，屈服强度Rp_0.2≥1250MPa，延伸率A≥10％，钛合金的焊接接头在20K低温条件下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1400MPa，屈服强度Rp_0.2≥1180MPa，延伸率A≥10％。

2.根据权利要求1所述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2.5％，Zr 14.5％，余量为钛和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 1.0％，Zr 15.5％，余量为钛和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2.0％，Zr 15.0％，余量为钛和不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 1.5％，Zr 16.0％，余量为钛和不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的一种焊接性能优良的低温高强钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 3.0％，Zr 14.0％，余量为钛和不可避免的杂质。