CN1902331A

CN1902331A - β－钛合金,由这种合金制备热轧产品的方法和其应用

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Publication number: CN1902331A
Application number: CNA2004800190087A
Authority: CN
Inventors: H·西布姆; O·绍尔特; G·弗罗迈尔; S·克尼普舍尔
Original assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung; Deutsche Titan GmbH
Current assignee: Max Planck Institut fuer Eisenforschung; VDM Metals GmbH
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: EP1641950A1; ZA200510297B; JP2007527466A; ATE398686T1; CN100478472C; WO2005003399A1; DE10329899B8; KR20060111895A; US20070175552A1; DE502004007396D1; EP1641950B1; DE10329899B3

Abstract

本发明涉及一种β－钛合金，其是高强度的和在永久硬化之前具有良好的可塑性能，目的在于良好的可变形性，以及高的疲劳强度。在此该β－钛合金含有(质量％)V：10－17％、Fe：2－5％、Al：2－5％，Mo：0.1－3％，以及任选地一种或多种由Sn、Si、Cr、Nb、Zr中选择的合金元素，这些元素满足下列条件：Sn：0.1－3％、Si：0.1≤2％、Cr：≤2％、Nb：≤2％、Zr：≤2，在此可以附加地存在C含量和镧系元素的含量，和作为余量的Ti和不可避免的杂质。本发明还涉及一种方法，用该方法可以由这样的合金低成本地制备可高载荷的构件。

Description

β-钛合金，由这种合金制备热轧产品的方法和其应用

具有高的钒含量的β-钛合金由于其良好的强度和同时具有良好的韧度或延展性而显得突出。其通常以热成形方法而加工成半成品，如板材、棒材、空心-或实心型材、线材，然后由这些半成品制备成高价值的轻型构件。

在U.Zwicker“钛和钛合金”，Springer-Verlag Berlin，Heidelberg，New York，1974中解释了β-钛合金的制备和性能的基本原理。在此β-钛合金除了含有作为基体金属的钛外通常还含有作为稳定krz β-混晶的主要合金元素的V、Nb、Ta、Mo、Fe和Cr以及一定含量的Zr、Sn、Al和添加量的Si。

从DD 281 422 A5也获知一种β-钛合金和一种用来由这种合金制备构件的方法。在这种已知的合金中Cr和V的总含量为1.5-4.5质量％，同时Cr的含量限制在小于2.5质量％。这种已知的合金附加地含有小于2.0质量％的Fe、3.8-4.8质量％的Al、1.5-4.5质量％的Mo以及1.5-2.5质量％的Sn、2.8-4.8质量％的Zr和小于0.3质量％的Si。根据这种已知的方法，这样组成的熔体浇铸成棒材，随后在一个分两步实施的过程中热变形成构件。所得到的构件通过热处理而变成固溶体，在热处理时其温度保持在DD 281 422 A5中称作“转变β”-有效值(Echtwert)的值以下10-40℃。在热处理后构件在550-650℃保持4-12小时。这样处理了的构件具有至少1100MPa的延伸极限R_p0.2和至少1200MPa的拉伸强度R_m。

在AT-PS 272 677、EP 0 408 313 B1和EP 0 600 579 B1中给出了β-钛合金的其他的例子。在这些文献中所给出的现有技术共同的是致力于提供尽可能良好的可浇铸的钛合金，其同时具有良好的机械性能和可以低成本地制备。

然而实际表明，这些已知的合金一方面对于它们的强度和另一方面对于它们的延伸性能不足以满足由加工者和用户所提出的需求。

所以本发明的任务在于，研制出一种高强度β-钛合金，它在永久硬化之前具有良好的可塑性能，目的在于具有良好的可变形性，以及在永久硬化之后高的疲劳强度，并且是可低成本制备的。此外应给出一种方法，用该方法可由这样的合金低成本地制备可高载荷的构件。

在材料方面，这一任务通过一种β-钛合金而解决，其含有(质量％)V：10-17％、Fe：2-5％、Al：2-5％、Mo：0.1-3％，以及任选地一种或多种由Sn、Si、Cr、Nb、Zr中选择的合金元素，这些元素满足下列条件：Sn：0.1-3％、Si：0.1≤2％、Cr：≤2％、Nb：≤2％、Zr：≤2，在此β-钛合金可以附加地含有碳和镧系元素，和作为余量的Ti和不可避免的杂质。

根据本发明的组成的β-钛合金在室温下确定达到至少1400Mpa的延伸极限R_p0.2、至少1500MPa的拉伸强度R_m和大于4％的塑性伸长ε_p0.2。在此该合金的密度ρ不超过4.8g/cm³，以致于用根据本发明的β-钛合金可以制备不仅是超强度的，而且重量最佳化了的构件。

这一方面这样达到，即根据本发明的合金含有钒，钒含量显著地高于在现有技术中的在β-钛合金中的钒含量。通过高的V-含量而稳定组织结构的β-相和提高耐热强度。所以在根据本发明的合金中V-含量优选为12-17质量％，特别为13-17质量％。

2-5质量％的铝含量稳定组织结构的α-相和起有效的混晶硬化作用。

在根据本发明的组成的钛合金中铁的作用在于稳定组织结构的β-相、提高耐热强度和改善混晶的形成。

在根据本发明的钛材料中含有0.1-3质量％，优选为至少0.5质量％的钼含量，以稳定组织结构的β-相和提高耐热强度。

此外，根据本发明的β-钛合金任选地含有一种或多种由Sn、Si、Cr、Nb、Zr中选择的合金元素。

在此锡的存在有利于混晶硬化和耐热强度。所以Sn-含量优选为0.5-3质量％。

在根据本发明的合金中硅提高耐热强度和耐氧化性。

铬可以添加入合金中，以稳定组织结构的β-相和提高耐热强度。

此外，添加铌对合金的耐热强度和耐氧化性有有利的影响。

最后向根据本发明的合金中添加锆也可以优越地改善混晶形成和耐氧化性。

根据本发明的合金除了含有上述的对于它们的作用各个解释了的成分外还可以含有其他的成分，只要这些成分不是不利地影响根据本发明所要达到的性能。与此相关地可举出的特别是碳的含量和属于镧系元素的元素的含量。

根据本发明的β-钛合金的最佳性能在上述给出的极限值精确地保持为至少二个小数位时出现。

在方法方面，上述给出的任务这样解决，即在制成由β-钛合金制备的产品时进行下列的工作步骤：

-熔炼根据本发明制得的β-钛熔液成为块状的中间产品，

-热变形中间产品，

-热变形了的中间产品最终热变形成热最终产品，

-将热最终产品固溶退火，

-将热最终产品冷变形成为最终产品，

-将最终产品永久硬化处理。

在此对于制备带材或板材的热变形可以作为热轧制进行，在必要的情况下可随后进行卷取。

根据本发明的Ti-合金可以这样特别低成本地制备，即合金元素V、Fe和Al以已知的方式不是单个地，而是以中间合金的形式加入合金元素。这种中间合金在商业上是可得到的。

通过根据本发明的方法在热最终变形后得到的热最终产品由单相的、亚稳态的β-钛构成，其转变温度T_B为约788℃。假如热最终产品通过热轧制备，那么其具有在轧制方向延伸的晶核和具有部分地动力学的重结晶了的组织结构。

在根据本发明的方法过程中经加工的块状的中间产品通过重熔得到。在此以已知的方式使用真空熔炼炉(“真空电弧重熔炉”)。

对于中间产品可以例如涉及圆铸锭，其然后在热变形过程中热变形成毛坯或扁坯。这种毛坯典型地是四边形构成的，边长例如为70mm，或是圆形构成的，其直径例如为60mm。

热最终变形典型地在950-1150℃的变形温度下进行的，以有效地达到横截面的减小以及组成和组织结构的均匀化。

对于热最终变形是作为热轧进行的情况，根据本发明的方法的优越的构成方式设计为，热最终产品在热最终变形后进行固溶退火。固溶退火后是冷变形。固溶退火典型地在875℃下进行30分钟。

为了进一步提高机械性能值，任选地经固溶退火的热最终产品再重结晶地退火。在该退火处理过程中的温度典型地为775-875℃，退火时间为20-40分钟。

随后进行冷变形，如冷轧。在冷变形后得到的最终产品具有至少870-900MPa的延伸极限R_p0.2，890-944MPa的拉伸强度R_m，以及14-17％的塑性伸长。

在重结晶地退火的轧制产品进行了永久硬化处理后，所得到的产品具有至少1400MPa的延伸极限R_p0.2，至少1500MPa的拉伸极限R_m，和至少4的伸长ε_p1。在典型地5小时的处理时间下永久硬化处理的典型的温度为约480℃。在保持这个时间和温度的情况下根据本发明制得的最终产品达到最佳的性能。

由根据本发明制得的β-钛合金可以制备半成品，如扁坯、板材、棒材、型材或线材，其由于其性能谱而优越地适合制备可高载荷的构件。在此半成品特别地可通过应用根据本发明的方法而低成本地制备。

已经证明根据本发明的β-钛合金特别适合作为用于制备部件的结构材料，这些部件用于轨道或路面交通运输车辆中以及用于航空航天器中。对于这些应用的例子可列举出的是车轴弹簧、连杆、活塞销、高强度螺丝、制动器活塞和制动盘。

根据本发明的β-钛合金由于其特别的性能而也特别良好地适合用来制备通常在一般的机械构造、仪器构造、设备构造、容器构造、低温技术、车辆构造的领域中使用或在运动器械的领域中使用的部件。

在此已经显示出，根据本发明制备的β-钛合金特别适合用于制备在-196至300℃的温度范围使用的构件。

以下根据实施例来更清楚地解释本发明。

在真空电弧炉中熔融圆铸坯，其含有(质量％)15％的V、4％的Fe、3％的Al、1％的Mo、1％的Sn和0.3％的Si，余量为Ti和不可避免的杂质，随后在锻压过程中热变形成四边形的毛坯。在熔体合金化时合金成分V、Fe和Al是以低成本可得到的中间合金的形式一起加入到基体材料Ti中的。

在锻压以后毛坯在1100-950℃的热轧温度下，热轧成线材和随后卷绕成线材圈。在热轧后线材具有单相的亚稳态的β-钛(转变温度T_β约788℃)，其具有沿线材轴的方向延伸的晶核和部分地动力学重结晶了的组织结构。

卷绕之后线材在875℃下固溶退火30分钟。线材在固溶退火后进行冷变形。线材在冷变形后在775-875℃的温度下放置20-40分钟进行重结晶地退火。这样退火的线材具有870-900MPa的延伸极限R_p0.2、890-944MPa的拉伸强度R_m和14-17％的伸长A。紧接着重结晶退火的是永久硬化处理，在此线材在480℃下保持5小时。

这样最终处理的线材在室温下具有大于1400MPa的延伸极限R_p0.2、大于1500MPa的拉伸强度R_m和至少4-5％的伸长A。

Claims

1、一种β-钛合金，其含有(质量％)

V：10-17％

Fe：2-5％，

Al：2-5％，

Mo：0.1-3％，

以及任选地一种或多种由Sn、Si、Cr、Nb、Zr中选择的合金元素，这些元素满足下列条件：

Sn：0.1-3％，

Si：0.1≤2％，

Cr：≤2％，

Nb：≤2％，

Zr：≤2，

在此β-钛合金可以附加地含有C和镧系元素，

和作为余量的Ti和不可避免的杂质。

2、β-钛合金，其含有(质量％)

V：10.00-17.00％

Fe：2.00-5.00％，

Al：2.00-5.00％，

Mo：0.10-3.00％，

Sn：0.10-3.00％，

Si：0.10-2.00％，

Cr：≤2.00％，

Nb：≤2.00％，

Zr：≤2.00，

和作为余量的Ti和不可避免的杂质。

3、根据上述权利要求之一的β-钛合金，含有12-17质量％的V。

4、根据上述权利要求之一的β-钛合金，含有0.5-3质量％的Mo。

5、根据上述权利要求之一的β-钛合金，含有0.5-3质量％的Sn。

6、根据上述权利要求之一的β-钛合金，其特征在于，其在室温下具有至少1400MPa的延伸极限R_p0.2。

7、根据上述权利要求之一的β-钛合金，其特征在于，其在室温下具有至少1500MPa的拉伸强度R_m。

8、根据上述权利要求之一的β-钛合金，其特征在于，其在室温下具有大于4％的塑性伸长率ε_p0.2。

9、根据上述权利要求之一的β-钛合金，其特征在于，其密度ρ不超过4.8g/cm³。

10、一种制备由β-钛合金制成的产品的方法，其包括下列的工作步骤：

-熔炼根据权利要求1-9之一制得的β-钛熔体成为块状的中间产品，

-将热变形中间产品，

-热变形了的中间产品最终热变形成热最终产品，

-将热最终产品固溶退火，

-将热最终产品冷变形成为最终产品，

-将最终产品永久硬化处理。

11、根据权利要求10的方法，其特征在于，热最终变形是作为热轧实施的。

12、根据权利要求11的方法，其特征在于，热轧之后是卷绕。

13、根据权利要求10-12的方法，其特征在于，合金元素V、Fe和Al是以中间合金的形式加以合金化的。

14、根据权利要求10-13之一的方法，其特征在于，中间产品是圆坯，其在热变形过程中热变形成毛坯或扁坯。

15、根据权利要求10-14之一的方法，其特征在于，热最终产品是线材或板材。

16、根据权利要求11-15之一的方法，其特征在于，热最终产品在卷绕后进行固溶退火。

17、根据权利要求16的方法，其特征在于，经固溶退火的热最终产品被冷变形。

18、一种由根据权利要求1-9之一制备的β-钛合金制备的半成品。

19、根据权利要求1-9之一制备的β-钛合金用于制备在-196至300℃的温度范围内使用的构件的用途。

20、根据权利要求1-9之一制备的β-钛合金用于制备车辆部件的用途。

21、根据权利要求1-9之一制备的β-钛合金用于制备在仪器或设备构造中所用的部件的用途。

22、根据权利要求1-9之一制备的β-钛合金用于制备运动器械的用途。