CN114941087B - 高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新型钛合金材料领域，提供了一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金及制备方法，所述钛合金按照质量百分数包括以下组分：5.5～6.5wt.％Al，3.5～4.5wt.％Mo，0.5～1.5wt.％Mn，0～0.2wt.％B，其余为Ti和不可避免杂质。所述方法包括：按设定比例配置合金组分；采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3～4遍。本发明通过Mo、Mn、B元素的合理匹配，结合热处理制度的合理选择，实现钛合金弹性模量和强度的提升：弹性模量128～142GPa、抗拉强度915～1434MPa、断后伸长率4.3～11.3％，且强度和塑性可控，满足不同服役工况要求。

Description

高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金及制备方法
技术领域
本发明涉及新型钛合金材料技术领域，特别涉及一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金及制备方法。
背景技术
弹性模量作为材料基本力学性质可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小[束德林.工程材料力学性能(第三版)[M].北京：机械工业出版社,2007.]。
Ti-6Al-4V(TC4)合金是典型的α+β型两相钛合金，具有密度低、耐腐蚀性能良好等特点，是全球应用最广泛的钛合金结构材料，其使用量占钛合金总用量的50％，在航天领域钛合金用量中的占比达80％以上[张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应用[M].北京：化学工业出版社，2005；赵永庆.钛合金相变及热处理[M].长沙：中南大学出版社，2012.]。但是，TC4合金的弹性模量较低，约为110～115GPa，仅为钢的一半。同时TC4属于中强钛合金，屈服强度约825MPa、抗拉强度约895MPa[周彦邦.钛合金铸造概论.北京：航空工业出版社,2000.]。因此，在某些应用领域，如轴承、螺栓、压力容器等需要高弹性模量兼具高强度的场合，TC4合金的应用受到较大限制，即使有所应用也得不在设计时增加零件或构件的直径、壁厚或加强结构，导致重量增加，削弱了钛合金相对于其他高强度材料的减重优势。
发明内容
本发明的目的是至少克服现有技术的不足之一，提供了一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金及制备方法。
Mo作为钛合金合金化元素，在目前文献和工业应用中通常是为了改善钛合金的强韧性或抗蠕变性能[吴欢,葛鹏,赵永庆，等.Ti-6Al-4Mo(Cr,V)合金的组织特征及拉伸性能.金属热处理，2011,36(5):24-28]。文献[赵永庆，朱康英，吴欢.一种近α型中强高弹性模量钛合金[P].申请号：03105963.5，申请日： 2003.09.30：]指出“在常规钛合金中，Ti-8Al-1Mo-1V的弹性模量最高，达到120GPa”，为进一步提高弹性模量，该文献通过添加0.05～0.15％的B元素，使 TiAlMoZrB的弹性模量提高至123～126GPa。可见，添加Mo元素和B元素可以提高钛合金的弹性模量，但并没有超过126GPa。
本发明人采用第一性原理和Thermocal热力学计算，发现以Mo元素代替 TC4合金中的V元素，可以减小费米面的电子态密度，使BCC相更加稳定，从而提高弹性模量。同时，Ti-6Al-4Mo的熔点比Ti-6Al-4V高71℃，由于金属的熔点是原子间结合力相关的物理量，对同一基体合金，熔点越高表明原子间结合力越大，意味着弹性模量越大。进一步以Ti-6Al-4Mo为基础，采用高通量等效计算方法，发现每增加1wt.％Mn,Ti-6Al-4Mo-xMn合金的弹性模量增加4GPa左右，这意味着通过Mo和Mn的同时添加，可以达到比单独Mo添加更好的提高弹性模量效果。
基于上述原理，本发明提出采用Mo取代Ti-6Al-4V钛合金中的V、同时添加Mn元素，以提高合金弹性模量。在此基础上，结合微量B的添加、热变形和热处理的实验研究结果，进一步调控合金的力学性能，其目的是开发一种高弹性模量高强度钛合金。具体技术思路为：(1)在常用中等强度钛合金Ti-6Al-4V的基础上，用Mo和Mn元素代替V，以减小合金固溶体的晶格常数，增大原子间的结合力，从而提高合金弹性模量、同时提高强度。由于Mo和Mn的密度较大，且过量Mo和Mn添加也会使钛合的脆性增大、耐蚀性能降低，因此控制Mo含量小于5wt.％，Mn含量小于2wt.％。(2)通过添加0～0.2wt％的B形成TiB相，进一步提高弹性模量和强度。(3)Mo、Mn、B的加入导致合金塑性减小，同时考虑到铸态合金的强度相对较低，本发明通过选择合适热变形、淬火和退火制度，实现强度和塑性的调控。
通过上述思路设计的钛合金具有高弹性模量和高强度，且耐腐蚀性能不低于 TC4钛合金。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，按照质量百分数包括以下组分：5.5～6.5wt.％Al，3.5～4.5wt.％Mo，0.5～1.5wt.％Mn， 0～0.2wt.％B，其余为Ti和不可避免的杂质。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述杂质包括C、N、O、H，所述杂质总含量不超过0.20wt.％。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金中 B含量可以为0。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金为铸态、热加工态、或热加工开坯后再热处理。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述热加工态，将所述钛合金铸锭在800～950℃热锻、热轧或热挤压方式开坯。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述热加工开坯后再热处理，具体为：将热加工开坯后的所述钛合金在900～950℃保温1小时后淬火处理，然后在温度400～700℃保温1～4小时退火后空冷。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述钛合金弹性模量128～142GPa、抗拉强度915～1434MPa、断后伸长率4.3～11.3％。
另一方面，本发明还提供了一种上述的高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金的制备方法，包括：
S1、按设定比例配置合金组分：5.5～6.5wt.％Al，3.5～4.5wt.％Mo，0.5～1.5wt.％Mn，0～0.2wt.％B，其余为Ti；
S2、采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3～4 遍，得到钛合金铸锭。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法还包括：
S3、步骤S2得到的所述钛合金铸锭在800～950℃热锻、热轧或热挤压方式开坯，制备成板材。
如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法还包括：
S4、步骤S3中得到的板材在900～950℃保温1小时后淬火处理，然后在温度400～700℃保温1～4小时退火后空冷。
本发明的有益效果为：
1、通过Mo、Mn、B元素的合理匹配，结合热变形和热处理制度的合理选择，实现钛合金弹性模量和强度的提升：弹性模量128～142GPa、抗拉强度915～1434MPa、断后伸长率4.3～11.3％，且强度和塑性可调控，以满足不同服役工况要求。
2、截止于2022.3.8，金属V(纯度99.50％)的价格为2600元(RMB)/kg，金属Mo(纯度99.95％)的价格为371元/kg，金属Mn(纯度99.50％)的价格为40元/kg，可见Mo、Mn的价格远低于V。本发明采用较为便宜的金属Mo、 Mn代替昂贵的金属V，有效降低了钛合金成本，相比TC4钛合金每吨可节约原材料成本8～9万元左右。同时，本发明不含有稀贵金属，也不需要改变现有钛合金熔铸和成形加工的设备。
具体实施方式
下文将结合具体详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例中，所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明实施例一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，按照质量百分数包括以下组分：5.5～6.5wt.％Al，3.5～4.5wt.％Mo，0.5～1.5wt.％Mn，0～ 0.2wt.％B，其余为Ti和不可避免的杂质。
优选的，所述杂质包括C、N、O、H，所述杂质总含量不超过0.20wt.％。
实施例1：Ti-6Al-4Mo-0.5Mn铸态合金
一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al的质量百分数为6.0％，Mo的质量百分数为4.0％，Mn的质量百分数为 0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。按实施例1所列成分配制合金，采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3～4遍。
按国家标准GB/T228.1采用万能材料试验机上测合金的屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ，按国家标准GB/T 38897-2020采用超声回波法测合金的弹性模量E，结果见表1。
表1.Ti-6Al-4Mo-0.5Mn合金的室温力学性能和弹性模量
Figure BDA0003568673710000041
实施例2：Ti-6Al-4Mo-1.5Mn铸态合金
一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al的质量百分数为6.0％，Mo的质量百分数为4.0％，Mn的质量百分数为 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。按实施例2所列成分配制合金，采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3～4遍。
按国家标准GB/T228.1采用万能材料试验机上测合金的屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ，按国家标准GB/T 38897-2020采用超声回波法测合金的弹性模量E，结果见表2。
表2.Ti-6Al-4Mo-1.5Mn合金的室温力学性能和弹性模量
Figure BDA0003568673710000051
实施例3：Ti-6Al-4Mo-1Mn-0.05B铸态
一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al的质量百分数为6.0％，Mo的质量百分数为4.0％，Mn的质量百分数为 1％，B的质量百分数为0.05％，余量为Ti和不可避免的杂质。按实施例3所列成分配制合金，采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3～4遍。
按国家标准GB/T228.1采用万能材料试验机上测合金的屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ，按国家标准GB/T 38897-2020采用超声回波法测合金的弹性模量E，结果见表3。
表3.Ti-6Al-4Mo-1Mn-0.05B合金的室温力学性能和弹性模量
Figure BDA0003568673710000052
实施例4：Ti-6Al-4Mo-1Mn-0.2B铸态
一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al的质量百分数为6.0％，Mo的质量百分数为4.0％，Mn的质量百分数为 1％，B的质量百分数为0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。按实施例4所列成分配制合金，采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3～4遍。
按国家标准GB/T228.1采用万能材料试验机上测合金的屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ，按国家标准GB/T 38897-2020采用超声回波法测合金的弹性模量E，结果见表4。
表4.Ti-6Al-4Mo-1Mn-0.2B合金的室温力学性能和弹性模量
Figure BDA0003568673710000061
实施例5：Ti-6Al-4Mo-1Mn合金900℃热轧态
一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al的质量百分数为6.0％，Mo的质量百分数为4.0％，Mn的质量百分数为1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。按实施例5所列成分配制合金，采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3～4遍。铸锭在900℃进行压下量80％的热轧后空冷，制备成厚度2mm的板材。
按国家标准GB/T228.1采用万能材料试验机上测合金的屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ，按国家标准GB/T 38897-2020采用超声回波法测合金的弹性模量E，结果见表5。
表5.Ti-6Al-4Mo-1Mn合金900℃热轧态的室温力学性能和弹性模量
Figure BDA0003568673710000062
实施例6：Ti-6Al-4Mo-1Mn合金950℃热轧+淬火+低温长时退火态
一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al的质量百分数为6.0％，Mo的质量百分数为4.0％，Mn的质量百分数为 1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
按实施例6所列成分配制合金，采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3～4遍。Ti-6Al-4Mo-1Mn合金的实测成分为：5.7wt.％Al、 4.01wt.％Mo、0.99wt.％Mn，其余为Ti。铸锭在950℃进行压下量80％的热轧后空冷，制备成厚度2mm的板材。轧制后的板材采用930℃保温1h水冷+550℃保温4h空冷的热处理制度处理。
按国家标准GB/T228.1采用万能材料试验机上测合金的屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ，按国家标准GB/T 38897-2020采用超声回波法测合金的弹性模量E，结果见表6。
表6.Ti-6Al-4Mo-1Mn合金950℃热轧+淬火+低温长时退火态的室温力学性能和弹性模量
Figure BDA0003568673710000071
实施例7：Ti-6Al-4Mo-1Mn合金950℃热轧+淬火+高温短时退火态
一种高弹性模量钛合金，按照质量百分数由以下组分组成：Al的质量百分数为6.0％，Mo的质量百分数为4.0％，Mn的质量百分数为1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
按实施例7所列成分配制合金，采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3～4遍。Ti-6Al-4Mo-1Mn合金的实测成分为：5.7wt.％Al、 4.01wt.％Mo、0.99wt.％Mn，其余为Ti。铸锭在900℃进行压下量80％的热轧后空冷，制备成厚度2mm的板材。轧制后的板材采用930℃保温1h水冷+700℃保温1h的热处理制度处理。
按国家标准GB/T228.1采用万能材料试验机上测合金的屈服强度σ0.2、抗拉强度σb、断后伸长率δ，按国家标准GB/T 38897-2020采用超声回波法测合金的弹性模量E，结果见表7。
表7.Ti-6Al-4Mo-1Mn合金950℃热轧+淬火+高温短时退火态的室温力学性能和弹性模量
Figure BDA0003568673710000072
/>
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (6)

1.一种高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，其特征在于，所述钛合金按照质量百分数包括以下组分：5.5～6.5wt.%Al，3.5～4.5 wt.%Mo，0.5～1.5wt.%Mn，0～0.2wt.%B，其余为Ti和不可避免的杂质，所述杂质总含量不超过0.20 wt.%；
所述钛合金为铸态、热加工态、或热加工开坯后再热处理；
所述热加工态，具体为：将钛合金铸锭在800~950℃热锻、热轧或热挤压方式开坯；
所述热加工开坯后再热处理，具体为：将热加工开坯后的钛合金在900~950℃保温1小时后淬火处理，然后在温度400~700℃保温1~4小时退火后空冷。
2.如权利要求1所述的高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，其特征在于，所述杂质包括C、N、O、H。
3.如权利要求1所述的高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金，其特征在于，所述钛合金弹性模量128~142GPa、抗拉强度915~1434MPa、断后伸长率4.3~11.3%。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金的制备方法，其特征在于，对于铸态，所述方法包括：
S1、按设定比例配置合金组分：5.5～6.5wt.%Al，3.5～4.5 wt.%Mo，0.5～1.5wt.%Mn，0～0.2wt.%B，其余为Ti；
S2、采用氩气保护的冷坩埚悬浮熔炼炉制备成合金铸锭，反复翻转熔炼3~4遍，得到钛合金铸锭。
5.如权利要求4所述的高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金的制备方法，其特征在于，对于热加工态，所述方法还包括：
S3、步骤S2得到的所述钛合金铸锭在800~950℃热锻、热轧或热挤压方式开坯，制备成板材。
6.如权利要求5所述的高弹性模量高强度TiAlMoMn钛合金的制备方法，其特征在于，对于热加工开坯后再热处理，所述方法还包括： S4、步骤S3中得到的板材在900~950℃保温1小时后淬火处理，然后在温度400~700℃保温1~4小时退火后空冷。
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