CN116479286A - 一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，由以下质量百分比的成分组成：W 2％～3％，Nb 1.5％～3.5％，Zr 9％～11％，余量为钛和不可避免的杂质；该低温高强高塑钛合金在77K下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1300MPa，屈服强度RP0.2≥1200MPa，断后伸长率A≥20％。本发明的钛合金选取近邻Ti且具有优异低温特性的W、Nb、Zr元素作为添加元素，并对各元素配比进行设计，获得77K低温强塑性匹配良好的低温高强高塑钛合金，具有优异的强塑性匹配及冷加工性能，可采用钛合金常规生产方法制备成板、棒、管等各类型产品，满足了航天、超导、磁悬浮等领域对低温零部件的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金。
背景技术
α及近α型钛合金因为塑-脆转变温度低，具有较好的低温强塑性匹配，同时兼具低的热导率和良好的加工性能，成为低温工程材料的首选，广泛应用于航天、超导、磁悬浮等领域中的耐低温容器及结构件。
现有研究表明钛合金低温下的塑性变形主要依靠孪生和滑移的协同交互作用来实现。改善钛合金低温下的力学性能通常有两种方法：一种是降低合金中的间隙元素碳、氮、氢、氧等含量，通过降低间隙原子固溶到合金中的数量，改善点阵畸变对低温孪生的抑制作用，从而提高钛合金低温塑韧性，采用这种方法研制的低温钛合金有TA7 ELI、TC4 ELI等；另一种方法是降低合金中的铝元素含量，减少铝原子与周围原子产生的化学交互作用，使位错运动变得容易，从而改善钛合金的低温脆性。科研人员通过这种方法开发出了一系列低铝钛合金，主要有Ti-2Al-1.5Mn、CT20、AT2(Ti-Zr-Mo-V/Nb)系列合金等。上述的这些低铝钛合金及低间隙的TC4 ELI合金，77K下的强度均不超过1200MPa，延伸率在10％～20％之间，难以满足各种低温工况对耐低温部件提出的日益严苛的性能要求。TA7ELI合金77K下的强度虽能达到1200MPa以上，但是其室温下的加工性能较差，无法通过冷轧方式制备管材及进一步成形，应用范围大大受限。
近年来新研制的一些低温钛合金(如公告号CN 103627928 B、CN 106507834B的专利)关注的低温性能多为液氢温度(20K)下的性能，对液氮温度(77K)下的材料性能则较少关注。钛合金77K和20K下的塑性变形机理并不相同，对钛合金来说，温度越低，位错滑移的难度越高，金属的塑性变形越倾向于通过孪生方式实现。此外，在20K低温下拉伸时，钛合金会发生绝热变形导致其拉伸曲线上出现锯齿状的波动，而77K温度下的拉伸则不会发生绝热变形。由于材料在77K和20K下的低温变形机制不同，20K温度下使用的低温钛合金并不能满足77K的使用工况。
公告号CN 103614590 B的专利中公开的低温钛合金在77K下具有较优的强塑性匹配(强度达到1300～1400MPa，延伸率大于18％)，但是该合金室温下的强度较高(甚至高于TC4ELI和TA7ELI)，冷轧制备管材时同样存在困难，且该合金属于两相钛合金，焊接性能较差，进一步限制了其推广使用。郁言在《国内外低温钛合金的开发与应用现状》(材料开发与应用，2014，29(06))一文中提到其团队开发了一种77K下使用的低温钛合金CT77，其77K下强度达到1400MPa以上，延伸率大于14％，但其室温强度高达950MPa以上，过高的强度导致其冷加工性能较差，实际应用受限。
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，提供一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金。该钛合金选取近邻Ti且具有优异低温特性的W、Nb、Zr元素作为添加元素，并对各元素配比进行设计，获得77K低温强塑性匹配良好的低温高强高塑钛合金，该钛合金相较于现有低温钛合金具有更加优异的强塑性匹配及冷加工性能，经常规方法制备成板、棒、管等各类型产品，满足航天及其它领域对耐低温材料的要求，解决了低温钛合金强塑性与冷加工性能不佳的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2％～3％，Nb 1.5％～3.5％，Zr 9％～11％，余量为钛和不可避免的杂质；所述低温高强高塑钛合金在77K下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1300MPa，屈服强度RP0.2≥1200MPa，断后伸长率A≥20％。
上述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2％，Nb 1.5％，Zr 9％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2.5％，Nb 3.5％，Zr 10％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2％，Nb 2.5％，Zr 10％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 3％，Nb 2％，Zr 11％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2.5％，Nb 3％，Zr 11％，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 3％，Nb 2.5％，Zr 9％，余量为钛和不可避免的杂质。
本发明的低温高强高塑钛合金的制备方法为：首先根据目标产物钛合金的成分组成选择适量的中间合金，将中间合金与海绵钛按设计成分混合均匀压制电极，然后采用真空自耗电弧炉经三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭在1100℃～1150℃进行开坯锻造，然后在950℃～1050℃进行镦拔锻造制成棒坯或板坯，再根据产品类型，选择以下三种工艺中的一种进行本发明钛合金的进一步制备：
(1)将钛合金棒坯在850℃～950℃进行多火次热轧得到轧制棒材，热轧总变形量不小于80％，随后对轧制棒材进行800℃～850℃退火，得到成品棒材；
(2)将钛合金板坯在850℃～950℃进行多火次热轧，热轧单火次变形量为50％～70％，随后在室温下进行多次冷轧得到冷轧板材，单次冷轧变形量40％～60％，冷轧过程中进行800℃退火，再对冷轧板材进行800℃～850℃退火，得到成品板材；
(3)将钛合金棒坯在850℃～950℃进行挤压得到挤压管坯，随后对挤压管坯进行多次冷轧，单次冷轧变形量为20％～40％，冷轧过程中进行800℃退火，冷轧结束对管材进行800℃～850℃退火，得到成品管材。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的低温高强高塑钛合金中元素选取原则是添加元素周期表中近邻Ti且具有优异低温特性的元素，其中Zr元素与Ti属于同族元素，Nb元素和W元素与Ti近邻，三者均在钛合金中均有较大的固溶度，结合对钛合金中各元素配比进行设计，获得77K低温强塑性匹配良好的低温高强高塑钛合金。
2、本发明的低温高强高塑钛合金控制Zr元素的质量百分比为9％～11％，通过采用高质量百分比的中性元素Zr替代元素Al，避免Al元素产生的低温脆性，保证了钛合金的室温强度，而Zr元素的添加促进钛合金低温环境下的孪生变形，保持了钛合金的高塑性和韧性；同时Zr元素在弱氧化环境中容易发生钝化，在钛合金表面生成致密氧化膜，提高钛合金在复杂工况中的耐腐蚀性能。
3、本发明的低温高强高塑钛合金控制Nb元素的质量百分比为1.5％～3.5％，Nb元素的添加有效细化组织，改善钛合金的断裂韧性，并减小吸氢量，提高钛合金的塑性和耐腐蚀性能，改善低温钛合金的冷加工性能。
4、本发明的低温高强高塑钛合金控制W元素的质量百分比为2％～3％，W元素的添加起到细化组织、进一步改善钛合金低温性能的作用。
5、本发明的低温高强高塑钛合金在77K低温环境下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1300MPa，屈服强度RP0.2≥1200MPa，断后伸长率A≥20％，相较于传统低温钛合金具有更加优异的强塑性匹配，可采用钛合金常规生产方法制备成板、棒、管等各类型产品，满足了航天、超导、磁悬浮等领域对低温零部件的使用要求。
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
本实施例的低温高强高塑钛合金由以下质量百分比的成分组成：W2％，Nb 1.5％，Zr 9％，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的低温高强高塑钛合金的制备方法为：首先根据目标产物钛合金的成分组成选择适量的中间合金，将中间合金与海绵钛按设计成分混合均匀压制电极，然后采用真空自耗电弧炉经三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭采用自由锻设备在1150℃进行开坯锻造，然后在1020℃进行两火次镦拔锻造，制成直径为120mm的棒坯，再在880℃进行两次热轧，热轧总变形量为89％，最终得到直径为40mm的成品钛合金棒材。
本实施例制备的成品钛合金棒材经840℃/2h热处理后的298K室温拉伸性能为抗拉强度Rm＝620MPa，屈服强度Rp0.2＝513MPa，断后伸长率A＝17％，77K低温性能为抗拉强度Rm＝1350MPa，屈服强度Rp0.2＝1230MP，断后伸长率A＝25％。
实施例2
本实施例的低温高强高塑钛合金由以下质量百分比的成分组成：W2.5％，Nb3.5％，Zr 10％，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的低温高强高塑钛合金的制备方法为：首先根据目标产物钛合金的成分组成选择适量的中间合金，将中间合金与海绵钛按设计成分混合均匀压制电极，然后采用真空自耗电弧炉经三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭采用自由锻设备在1100℃进行开坯锻造，然后在980℃进行三火次镦拔锻造，制成直径为90mm的棒坯，再在920℃进行两次热轧，热轧总变形量为95％，最终得到直径为20mm的成品钛合金棒材。
本实施例制备的成品钛合金棒材经840℃/2h热处理后的298K室温拉伸性能为抗拉强度Rm＝639MPa，屈服强度Rp0.2＝510MPa，断后伸长率A＝15.5％，77K低温性能为抗拉强度Rm＝1370MPa，屈服强度Rp0.2＝1245MPa，断后伸长率A＝25％。
实施例3
本实施例的低温高强高塑钛合金由以下质量百分比的成分组成：W2％，Nb 2.5％，Zr 10％，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的低温高强高塑钛合金的制备方法为：首先根据目标产物钛合金的成分组成选择适量的中间合金，将中间合金与海绵钛按设计成分混合均匀压制电极，然后采用真空自耗电弧炉经三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭采用自由锻设备在1100℃进行开坯锻造，然后在1000℃进行两火次镦拔锻造，制成厚度为150mm的板坯，再在900℃、单火次变形量为60％的条件下进行两次热轧，得到厚度为24mm的板坯，继续在单次变形量为50％的条件下进行两次冷轧，两次冷轧之间进行800℃退火，得到厚度为6mm的成品钛合金板材。
本实施例制备的成品钛合金板材经850℃/2h热处理后的298K室温拉伸性能为抗拉强度Rm＝648MPa，屈服强度Rp0.2＝534MPa，断后伸长率A＝16％，77K低温性能为抗拉强度Rm＝1355MPa，屈服强度Rp0.2＝1265MPa，断后伸长率A＝23.5％。
实施例4
本实施例的低温高强高塑钛合金由以下质量百分比的成分组成：W3％，Nb 2％，Zr11％，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的低温高强高塑钛合金的制备方法为：首先根据目标产物钛合金的成分组成选择适量的中间合金，将中间合金与海绵钛按设计成分混合均匀压制电极，然后采用真空自耗电弧炉经三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭采用自由锻设备在1150℃进行开坯锻造，然后在980℃进行三火次镦拔锻造，制成厚度为120mm的板坯，再在880℃、单火次变形量为50％的条件下进行两次热轧，得到厚度为30mm的板坯，继续在单次变形量为45％的条件下进行两次冷轧，两次冷轧之间进行800℃退火，得到厚度为9mm的成品钛合金板材。
本实施例制备的成品钛合金板材经800℃/2h热处理后的298K室温拉伸性能为抗拉强度Rm＝658MPa，屈服强度Rp0.2＝546MPa，断后伸长率A＝16.5％，77K低温性能为抗拉强度Rm＝1385MPa，屈服强度Rp0.2＝1270MPa，断后伸长率A＝25.5％。
实施例5
本实施例的低温高强高塑钛合金由以下质量百分比的成分组成：W2.5％，Nb 3％，Zr 11％，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的低温高强高塑钛合金的制备方法为：首先根据目标产物钛合金的成分组成选择适量的中间合金，将中间合金与海绵钛按设计成分混合均匀压制电极，然后采用真空自耗电弧炉经三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭采用自由锻设备在1100℃进行开坯锻造，然后在1000℃进行三火次镦拔锻造，制成直径为150mm的棒坯，再在850℃进行热挤压得到壁厚8mm的挤压管坯，继续对挤压管坯进行三次冷轧，单次冷轧变形量28％，冷轧过程之间进行800℃退火，得到壁厚3mm的成品钛合金管材。
本实施例制备的成品钛合金管材经800℃/2h热处理后的298K室温拉伸性能为抗拉强度Rm＝615MPa，屈服强度Rp0.2＝482MPa，断后伸长率A＝21％，77K低温性能为抗拉强度Rm＝1355MPa，屈服强度Rp0.2＝1255MPa，断后伸长率A＝23％。
实施例6
本实施例的低温高强高塑钛合金由以下质量百分比的成分组成：W3％，Nb 2.5％，Zr 9％，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的低温高强高塑钛合金的制备方法为：首先根据目标产物钛合金的成分组成选择适量的中间合金，将中间合金与海绵钛按设计成分混合均匀压制电极，然后采用真空自耗电弧炉经三次熔炼得到钛合金铸锭；将钛合金铸锭采用自由锻设备在1150℃进行开坯锻造，然后在1000℃进行三火次镦拔锻造，制成直径为120mm的棒坯，再在900℃进行热挤压得到壁厚9mm的挤压管坯，继续对挤压管坯进行两次冷轧，单次冷轧变形量33％，冷轧过程之间进行800℃退火，得到壁厚4mm的成品钛合金管材。
本实施例制备的成品钛合金管材经850℃/2h热处理后的298K室温拉伸性能为抗拉强度Rm＝634MPa，屈服强度Rp0.2＝492MPa，断后伸长率A＝18.5％，77K低温性能为抗拉强度Rm＝1335MPa，屈服强度Rp0.2＝1240MPa，断后伸长率A＝24.5％。
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 (7)
1.一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2％～3％，Nb 1.5％～3.5％，Zr 9％～11％，余量为钛和不可避免的杂质；所述低温高强高塑钛合金在77K下的力学性能满足：抗拉强度Rm≥1300MPa，屈服强度RP0.2≥1200MPa，断后伸长率A≥20％。
2.根据权利要求1所述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2％，Nb 1.5％，Zr 9％，余量为钛和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2.5％，Nb 3.5％，Zr 10％，余量为钛和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2％，Nb 2.5％，Zr 10％，余量为钛和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 3％，Nb 2％，Zr 11％，余量为钛和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 2.5％，Nb 3％，Zr 11％，余量为钛和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的一种冷加工性能优良的低温高强高塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：W 3％，Nb 2.5％，Zr 9％，余量为钛和不可避免的杂质。
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2023
- 2023-03-20 CN CN202310269113.0A patent/CN116479286A/zh active Pending
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