CN115652142A - 一种新型钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型钛合金及其制备方法，属于钛合金冶炼技术领域。本发明所述方法通过在Ti‑0.3Mo‑0.8Ni(TA10)钛合金中加入Al和Zr元素，按比例称取原料，将原料混合后通过压块机压制成块体，并将每个块体焊接在一起组成自耗电极，最后经过三次真空自耗电弧熔炼成一种新型钛合金，将钛合金铸锭通过机加工切削得到圆柱体试样，并对试样进行等温恒应变速率压缩实验得到其应力应变曲线。本发明通过在TA10钛合金中加入Al和Zr元素，提高了钛合金的强度和热加工性能，使Ti‑0.3Mo‑0.8Ni‑0.5Al‑0.5Zr合金具有良好的成形性，对制造表面质量好、性能优异的板材具有重要的意义，并扩大了钛合金板材的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型钛合金及其制备方法，属于钛合金冶炼技术领域。
背景技术
钛及钛合金因其比强度高、耐高温、焊接性能好、抗腐蚀性好等优异的综合性能被广泛应用于航空航天、化工装备、国防装备等领域；Ti-0.3Mo-0.8Ni(TA10)钛合金含有的Mo和Ni元素可形成较低的阴极超电压，并提高其热力学稳定性和平衡电位，从而使其具有较好的耐腐蚀性能；并且合金中Mo和Ni元素的价格相对低廉，所以该合金可以替代耐蚀性较好；Ti-0.3Mo-0.8Ni(TA10)钛合金是一种近α型钛合金，相对于α+β型和β型钛合金，其比强度、成形性能和热加工性能较差。
钛合金板材被广泛应用于航空、航天和化工等领域，在制造业中有着广泛的应用。目前，钛合金热轧板材存在开裂、表面质量差和应力集中等问题。因此，提高TA10钛合金的成形性和热加工性能对制造表面质量好、性能优异的板材具有重要的意义，并扩大了耐蚀钛合金板材的应用范围。
发明内容
为了提高现有TA10钛合金板材的热加工性能，本发明的目的在于提供一种新型钛合金，在TA10钛合金的基础上加入Al和Zr元素，各元素及其质量百分比为：Mo 0.2%-0.4%、Ni 0.7%-0.9%、Al 0.4%-0.8%、Zr 0.4%-0.7%，余量为Ti和杂质，其中杂质的范围为Fe≤0.3%、C≤0.08%、N≤0.03%、H≤0.015%、O≤0.25%。
本发明的另一目的在于提供所述新型钛合金的制备方法，经过三次真空自耗电弧熔炼(VAR)成一种新型钛合金，具有较好的成形性能和热加工性能，从而为生产出表面质量好、耐蚀性能优异的钛合金板材提供了材料，扩大了其在航空航天、化工等领域的应用范围，具体包括以下步骤：
（1）采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、工业纯铝豆和海绵锆作为原料，按化学配比称取各原料。
（2）将原料混合后，通过压块机压制成块体，并将每个块体焊接在一起，组成自耗电极。
（3）将自耗电极通过真空自耗电弧炉熔炼一次，得到第一次熔炼的铸锭。
（4）将第一次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼二次，得到第二次熔炼的铸锭。
（5）将第二次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼三次，得到成品的钛合金铸锭。
优选的，本发明步骤（2）中自耗电极的尺寸为115mm×105mm×1750mm。
优选的，本发明步骤（3）中熔炼温度为1850℃-1900℃。
优选的，本发明步骤（4）中熔炼温度为1800℃-1850℃。
优选的，本发明步骤（5）中熔炼温度为1750℃-1800℃。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过在原有TA10钛合金的基础上加入Al和Zr元素，提高了钛合金的强度和热加工性能；得到的名义成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni-0.5Al-0.5Zr的钛合金具有良好的压力加工性能和成形性能，避免了钛合金板材在轧制过程中因表面抗力大而出现开裂的情况，这对制造表面质量好、性能优异的板材具有重要的意义，扩大了钛合金板材在航空航天、化工等领域的应用范围。
（2）采用真空自耗熔炼（VAR）技术熔炼能够去除气体、夹杂物和低熔点的有害杂质，对于Al和Zr这种挥发性较大的元素能够有效的控制成分偏析，有效改善横纵方向之间的差异，保证铸锭性能的稳定性和一致性，并且通过三次熔炼可以显著减少铸锭的冶金缺陷。
附图说明
图1为熔炼得到的钛合金铸锭和机加工得到的圆柱体试样。
图2为本发明实施例和对比实施例1热压缩后的宏观形貌图。
图3为本发明实施例和对比实施例1的应力应变曲线和峰值应力。
图4为本发明实施例1的背散射电子衬度图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种新型Ti-0.3Mo-0.8Ni-0.5Al-0.5Zr钛合金及其制备方法，具体步骤如下(见图2)：
（1）采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、工业纯铝豆和海绵锆作为原料，按照以下重量百分比的成分进行配比：Mo(0.3%)、Ni(0.8%)、Al(0.5%)、Zr(0.5%)。
（2）将原料混合后，通过压块机压制成块体，并将每个块体焊接在一起，组成自耗电极，其中自耗电极的尺寸为115mm×105mm×1750mm。
（3）将自耗电极通过真空自耗电弧炉熔炼一次，得到第一次熔炼的铸锭，其熔炼温度为1850℃。
（4）将第一次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼二次，得到第二次熔炼的铸锭，其熔炼温度为1800℃。
（5）将第二次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼三次，得到成品的钛合金铸锭，其熔炼温度为1750℃。
（7）将钛合金铸锭通过ICP光谱分析仪进行成分测定，具体成分含量如表1所示，余量为Ti和杂质，其中杂质的范围为Fe≤0.3%、C≤0.08%、N≤0.03%、H≤0.015%、O≤0.25%。
将钛合金铸锭进行机加工，得到圆柱体试样，并将试样在Gleeble-3500热模拟试验机上进行等温恒应变速率压缩实验，其中钛合金铸锭尺寸为ø240mm×25mm，圆柱体试样的尺寸为ø8mm×12mm，变形温度为820℃，应变速率为1s-1，变形量为50%。
表1实施例1试样的合金元素成分含量
由表1可知，实施例1的实测钛合金铸锭成分均符合所规定的范围。
实施例2
一种新型Ti-0.3Mo-0.8Ni-0.5Al-0.5Zr钛合金及其制备方法，具体步骤如下：
（1）采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、工业纯铝豆和海绵锆作为原料，按照以下重量百分比的成分进行配比：Mo(0.3%)、Ni(0.8%)、Al(0.5%)、Zr(0.5%)。
（2）将原料混合后，通过压块机压制成块体，并将每个块体焊接在一起，组成自耗电极，其中自耗电极的尺寸为115mm×105mm×1750mm。
（3）将自耗电极通过真空自耗电弧炉熔炼一次，得到第一次熔炼的铸锭，其熔炼温度为1875℃。
（4）将第一次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼二次，得到第二次熔炼的铸锭，其熔炼温度为1825℃。
（5）将第二次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼三次，得到成品的钛合金铸锭，其熔炼温度为1775℃。
（7）将钛合金铸锭通过ICP光谱分析仪进行成分测定，具体成分含量如表2所示，余量为Ti和杂质，其中杂质的范围为Fe≤0.3%、C≤0.08%、N≤0.03%、H≤0.015%、O≤0.25%。
将钛合金铸锭进行机加工，得到圆柱体试样，并将试样在Gleeble-3500热模拟试验机上进行等温恒应变速率压缩实验，其中钛合金铸锭尺寸为ø240mm×25mm，圆柱体试样的尺寸为ø8mm×12mm，变形温度为820℃，应变速率为1s-1，变形量为50%。
表2实施例2试样的合金元素成分含量
由表2可知，实施例2的实测钛合金铸锭成分均符合所规定的范围。
实施例3
一种新型Ti-0.3Mo-0.8Ni-0.5Al-0.5Zr钛合金及其制备方法，具体步骤如下(见图4)：
（1）采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、工业纯铝豆和海绵锆作为原料，按照以下重量百分比的成分进行配比：Mo(0.3%)、Ni(0.8%)、Al(0.5%)、Zr(0.5%)。
（2）将原料混合后，通过压块机压制成块体，并将每个块体焊接在一起，组成自耗电极，其中自耗电极的尺寸为115mm×105mm×1750mm。
（3）将自耗电极通过真空自耗电弧炉熔炼一次，得到第一次熔炼的铸锭，其熔炼温度为1900℃。
（4）将第一次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼二次，得到第二次熔炼的铸锭，其熔炼温度为1850℃。
（5）将第二次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼三次，得到成品的钛合金铸锭，其熔炼温度为1800℃。
（7）将钛合金铸锭通过ICP光谱分析仪进行成分测定，具体成分含量如表3所示，余量为Ti和杂质，其中杂质的范围为Fe≤0.3%、C≤0.08%、N≤0.03%、H≤0.015%、O≤0.25%。
将钛合金铸锭进行机加工，得到圆柱体试样，并将试样在Gleeble-3500热模拟试验机上进行等温恒应变速率压缩实验，其中钛合金铸锭尺寸为ø240mm×25mm，圆柱体试样的尺寸为ø8mm×12mm，变形温度为820℃，应变速率为1s-1，变形量为50%。
表3实施例3试样的合金元素成分含量
由表3可知，实施例3的实测钛合金铸锭成分均符合所规定的范围。
对比实施例1
将TA10钛合金进行热压缩实验的具体步骤如下：
（1）将TA10钛合金铸锭通过ICP光谱分析仪进行成分测定，具体成分含量如表4所示，余量为Ti和杂质，其中杂质的范围为Fe≤0.3%、C≤0.08%、N≤0.03%、H≤0.015%、O≤0.25%。
（2）将钛合金铸锭进行机加工，得到圆柱体试样，并将试样在Gleeble-3500热模拟试验机上进行等温恒应变速率压缩实验，其中圆柱体试样的尺寸为ø8mm×12mm，变形温度为820℃，应变速率为1s-1，变形量为50%。
由表4可知，对比实施例1的实测钛合金铸锭成分均符合所规定的范围。
表4对比实施例1试样的合金元素成分含量
实施例1~3和对比实施例1压缩之后的宏观形貌如图2所示，由图可知制备的新型Ti-0.3Mo-0.8Ni-0.5Al-0.5Zr钛合金经过热压缩之后，其宏观形貌相较于TA10合金较为平整，呈现典型的“圆鼓状”，这表明在热压缩的过程中变形较为均匀，具有良好的成形性。
实施例1~3和对比实施例1的应力应变曲线见图3，由图可知，采用实施例1、2和3的方法得到的试样在热压缩过程中的应力值基本上均高于对比实施例1的试样在同样的变形条件下的应力值，实施例的峰值应力也均大于对比实施例1的峰值应力，且随着应变的增加，应力应变曲线上下波动的幅度较小，这表明新型Ti-0.3Mo-0.8Ni-0.5Al-0.5Zr钛合金在热加工的过程中的加工性能较好，能够在高温压力加工的过程中进行较为平稳的变形过程，具有较好的热加工性和成形性。实施例1的背散射电子衬度图像见图4，由图可知，在变形的过程中产生了等轴状晶粒，这是由于在钛合金中加入Al元素和Zr元素，这两种元素起到了协同的固溶强化作用，表现为在变形的过程中具有较大的应力值，从而产生了较高的变形能量，使得在晶界处产生等轴状的动态再结晶晶粒，并且由于变形能的存在，一些拉长晶粒的晶界发生聚集，合并为较大的等轴晶粒。相较于粗大的晶粒，等轴状晶粒更易于变形，使得合金在变形的过程中保持良好的塑性，改善了合金的成形性。因此，通过在钛合金中加入Al和Zr元素，有效改善了钛合金板材在轧制过程中由于应力集中造成的开裂和表面质量差等问题，从而制造出表面质量好、性能优异的板材，扩大了钛合金板材在航空航天、化工等领域的应用范围。
Claims (6)
1.一种新型钛合金，其特征在于：在TA10钛合金的基础上加入Al和Zr元素，各元素及其质量百分比为：Mo 0.2%-0.4%、Ni 0.7%-0.9%、Al 0.4%-0.8%、Zr 0.4%-0.7%，余量为Ti和杂质，其中杂质的范围为Fe≤0.3%、C≤0.08%、N≤0.03%、H≤0.015%、O≤0.25%。
2.权利要求1所述新型钛合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）采用0级海绵钛、Ti-15Mo中间合金、纯镍屑、工业纯铝豆和海绵锆作为原料，按化学配比称取各原料；
（2）将原料混合后，通过压块机压制成块体，并将每个块体焊接在一起，组成自耗电极；
（3）将自耗电极通过真空自耗电弧炉熔炼一次，得到第一次熔炼的铸锭；
（4）将第一次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼二次，得到第二次熔炼的铸锭；
（5）将第二次熔炼的铸锭作为自耗电极，通过真空自耗电弧炉熔炼三次，得到成品的钛合金铸锭。
3.根据权利要求2所述新型钛合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）中自耗电极的尺寸为115mm×105mm×1750mm。
4.根据权利要求2所述新型钛合金的制备方法，其特征在于：步骤（3）中熔炼温度为1850℃-1900℃。
5.根据权利要求2所述新型钛合金的制备方法，其特征在于：步骤（4）中熔炼温度为1800℃-1850℃。
6.根据权利要求2所述新型钛合金的制备方法，其特征在于：步骤（5）中熔炼温度为1750℃-1800℃。
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