CN1932058A - 新型β钛合金产品、熔炼方法及热处理工艺 - Google Patents

新型β钛合金产品、熔炼方法及热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明所涉及Ti－5Al－4Sn－2Zr－4Mo－2Cr－1Fe系新型β钛合金产品、熔炼方法及热处理工艺。则β钛合金的具体成份Al为4.0～6.0％、Sn为3.5～4.5％、Zr为1.5～2.5％、Mo为3.5～4.5％、Cr为1.5～2.5％、Fe为0.8～1.2％、Ti为余量。β钛合金产品采用真空二次(多次)重熔后铸造成合金锭，经过开坯后，通过适当的热处理工艺(固溶处理)，可以使此合金的具有良好的塑性指标。本发明亚稳定型β钛合金在固溶状态，具有良好的加工塑性，便于加工成型，经过时效处理后又可获得很高的强度性能指标，因其比强度很高，具有广阔的应用全景。

Description

新型β钛合金产品、熔炼方法及热处理工艺
技术领域：本发明所涉及Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金产品、熔炼方法及热处理工艺。
背景技术：β钛合金通常是在纯钛中加入总量大于17％的β稳定元素，通过热处理后，得到单相的β固溶体。β型钛合金包括热力学稳定β型合金及亚稳定β型钛合金两种。目前前者只作为耐蚀材料使用，而作为结构材料则主要应用于亚稳定β合金。β型钛合金由于高强度，加工性能好，故在航天、航空工业、机械工业、汽车工业中得到广泛应用。在医学及日常用品领域中也大量使用。
我国β型合金有TB1(Ti-3Al-8Mo-11Cr)、TB2(Ti-3Al-5Mo-5v-8Cr)等，材料牌号少，已不能适应对钛合金产品的要求。
发明内容：本发明的的目的在于发明一种配方为Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β型钛合金，让其能够实现室温下的压力加工，又具有优良的力学性能。
技术方案：新型β钛合金成分范围是：Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe，则β钛合金的具体成份Al为4.0～6.0％、Sn为3.5～4.5％、Zr为1.5～2.5％、Mo为3.5～4.5％、Cr为1.5～2.5％、Fe为0.8～1.2％、Ti为余量。
新型β钛合金熔炼方法或者熔炼工艺采用真空至少二次重熔后铸造为钛合金锭，具体如下：
①.预先制备中间合金Ti-Zr、Ti-Mo、Ti-Cr，其中Ti-Zr中间合金的成分为：Ti 64.3％，Zr 35.7％；Ti-Mo中间合金的成分为：Ti 79.5％、Mo 20.5％；Ti-Cr中间合金的成分为：Ti 63.8％，Cr 36.2％；
②.将海绵钛与中间合金、添加金属混合，其中Ti-Zr中间合金按4％～6％加入；中间合金Ti-Mo按17％～21％加入；中间合金Ti-Zr按4％～7％加入；金属Al按4.0～6.0％加入；金属Sn按3.5～4.5％加入；金属Fe按0.8～1.2％加入，以满足合金的成分要求为准，在压力机上压制成电极；
③.电极在真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1730℃-1950℃；
④.结晶后获得第一次钛合金锭；
⑤.把第一次钛合金锭作为自耗电极，再做一次真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1730℃-1870℃；
⑥.获得成品钛合金锭；
⑦.钛合金锭经分析检测，确认是Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金后；
⑧.再将钛合金锭去皮、去头尾，经锻造后成棒材，入库。
上述工艺⑦中，获得成品钛合金锭，经分析检测，确认不是Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金时，还需继续以该钛合金锭为电极，再次进行一次或者多次真空自耗电弧炉熔炼，最终获得成品钛合金锭，在确认是Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金后，才能将钛合金锭去皮、去头尾，经锻造后成棒材，入库。
新型β钛合金的热处理工艺，其特征在于热处理包括固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为800℃～850℃，时间为15～40分钟，水冷；时效处理的温度为600℃～750℃，时间为≥8小时，风冷。所述的固溶处理和时效处理最好在真空或微氧化状态进行。
本发明该β型钛合金成分为：Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe，该β钛合金特征在于采用了Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe多元素共同作用的合金化成分。其中Mo、Cr在β钛合金中无限互溶，又是稳定β相元素；Sn和Zr为中性元素，主要起固溶强化使用，并抑制合金中ω相的析出；Zr与Fe形成的ZrFe2相会使合金得辅助强化。
采用真空二次(多次)重熔后铸造成合金锭，经过开坯后，通过适当的热处理工艺(固溶处理)，可以使此合金的具有良好的塑性指标。
更为可贵的是此合金通过时效处理后，再通过热处理工艺(时效处理)可以提高合金的强度。在室温下可以获得很好的塑性指标(δ＝20％、ψ％＝40％)，从而在室温下下可以实现轧制、拉拔等冷加工，为合金的加工成型提供了方便；对于加工好的合金产品，又可以通过时效处理的方式来提高其强度指标(σb＝1231Mpa)，远高于碳素结构钢及普通不锈钢。因为此钛合金的比重较小(4.75，约为不锈钢的60％)。
本发明亚稳定型β钛合金在固溶状态，具有良好的加工塑性，便于加工成型，经过时效处理后又可获得很高的强度性能指标，因其比强度很高，具有广阔的应用全景。
附图说明：图1～14为本发明新型β钛合金在通过890℃的条件下锻造开坯后，不同加工率及热处理状态下的金相照片图，其各个附图中金相照片的具体的加工及热处理工艺如表1。
表1：为图1-14中各金相照片的具体加工工艺和热处理工艺条件
  图号   变形加工   热处理工艺
变形量％ 锻造温度℃   最后尺寸φ(mm) 固溶温度℃ 保温时间h 冷却 时效温度℃ 保温时间h 冷却
  1   35   890   17   830   0.5   水冷   710   8   空冷
  2   50   890   17   830   0.5   水冷   710   8   空冷
  3   60   890   17   830   0.5   水冷   710   8   空冷
  4   72   890   17   830   0.5   水冷   710   8   空冷
5 35 890 17 830 0.5   炉冷   750600   18 空冷
6 50 890 17 830 0.5 炉冷   750600   18 空冷
7 60 890 17 830 0.5 炉冷   750600   18 空冷
8 72 890 17 830 0.5 炉冷   750600   18 空冷
  9   35   890   17   830   0.5   水冷   690   8   空冷
  10   50   890   17   830   0.5   水冷   690   8   空冷
  11   60   890   17   830   0.5   水冷   690   8   空冷
  12   72   890   17   830   0.5   水冷   690   8   空冷
  13   950   17   810   0.5   水冷   670   8   空冷
  14   950   17   810   0.5   水冷   670   8   空冷
具体实施方式：实施例1：β钛合金专利(5.03kg)
制作β型钛合金，其成分为：Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe，Al为4.0～6.0％、Sn为3.5～4.5％、Zr为1.5～2.5％、Mo为3.5～4.5％、Cr为1.5～2.5％、Fe为0.8～1.2％、Ti为余量。
采用如下的工艺进行：
1、中间合金制备：Ti-Zr成份为Ti64.3％；Zr35.7％；Ti-Mo成份为Ti79.5％；Mo20.5％；Ti-Cr成份为Ti63.8％；Cr36.2％；
2、海绵钛加相应的中间合金、金属，海绵钛与中间合金的配比为：海绵钛加入3.01千克；Ti-Zr按4％～6％加入中间合金0.28千克；Ti-Mo按17％～21％加入中间合金0.96千克；Ti-Cr按4％～7％加入中间合金0.28千克；海绵钛与金属的配比为：Al按4.0～6.0％加入0.25千克；Sn按3.5～4.5％加入0.20千克；Fe按0.8～1.2％加入0.05千克，在压力机上压制成电极。
3、经真空自耗电弧炉(实验型炉，型号为ZH-50)熔炼，熔炼温度为1780℃-1950℃，
4、在结晶器获得一次铸锭；
5、由一次铸锭作为自耗电极；
6、再一次真空自耗熔炼成成品钛合金锭；熔炼温度为1730℃-1870℃；
7、合金成分析检测；
8、钛合金锭去皮去头、尾→进行锻造→锻造成棒材→进行机械加工→加工成拉伸试样。
Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金锻造时采用35％的变形量，经过表2的热处理工艺，其力学性能指标达到了表3的指标，在保证很高的强度性能的前提下，仍然具有好的塑性。
表2  热处理具体工艺参数
  工艺   加热温度   时间   气氛   冷却方式
  固溶   800～850℃   15分   真空或微氧化   水冷
  时效   600～750℃   ＞8小时   真空或微氧化   空冷
表3  性能指标
  性能指标   最终热处理   σb(Mpa)   σ0.2(Mpa)   δ％   ψ％   硬度HB10/3000   E Gpa
  参数   固溶+时效   1172   1121   17   42   3.5   11910
Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金锻造时采用72％的变形量％，经过表2的热处理工艺，其力学性能指标达到了表4的指标，在保证很高的强度性能的前提下，仍然具有好的塑性。
表4  性能指标
  性能指标   最终热处理   σb(Mpa)   σ0.2(Mpa) δ％   ψ％   硬度HB10/3000   E Gpa
  参数   固溶+时效   1231   1184   20   43   3.5   11710
Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金锻造时采用72％的变形量％，经过表2的热处理工艺，其力学性能指标达到了表5的指标，在保证很高的强度性能的前提下，仍然具有好的塑性。
表5  性能指标
  性能指标   最终热处理   σb(Mpa)   σ0.2(Mpa) δ％   ψ％   硬HB10/3000   E Gpa
  参数   固溶+时效   1146   1094 17   44   3.5   11630
以上都对压力加工、热处理工艺作了全面的金相分析，对所有力学性能试样作了SEM断口分析，证明组织与断口形貌均正常符合要求。该合金适用于眼镜架材料等民用产品的生产。

Claims (5)

1、一种新型β钛合金，其特征在于新型β钛合金成分范围是：Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe，则β钛合金的具体成份Al为4.0～6.0％、Sn为3.5～4.5％、Zr为1.5～2.5％、Mo为3.5～4.5％、Cr为1.5～2.5％、Fe为0.8～1.2％、Ti为余量。
2、根据权利要求1所述的新型β钛合金熔炼方法，其特征在于熔炼工艺采用真空至少二次重熔后铸造为钛合金锭，具体如下：
①.预先制备中间合金Ti-Zr、Ti-Mo、Ti-Cr，其中Ti-Zr中间合金的成分为：Ti 64.3％，Zr 35.7％；Ti-Mo中间合金的成分为：Ti 79.5％、Mo 20.5％；Ti-Cr中间合金的成分为：Ti 63.8％，Cr 36.2％；
②.将海绵钛与中间合金、添加金属混合，其中Ti-Zr中间合金按4％～6％加入；中间合金Ti-Mo按17％～21％加入；中间合金Ti-Zr按4％～7％加入；金属Al按4.0～6.0％加入；金属Sn按3.5～4.5％加入；金属Fe按0.8～1.2％加入，以满足合金的成分要求为准，在压力机上压制成电极；
③.电极在真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1730℃-1950℃；
④.结晶后获得第一次钛合金锭；
⑤.把第一次钛合金锭作为自耗电极，再做一次真空自耗电弧炉熔炼，熔炼温度为1730℃-1870℃；
⑥.获得成品钛合金锭；
⑦.钛合金锭经分析检测，确认是Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金后；
⑧.再将β钛合金锭去皮、去头尾，经锻造后成棒材，入库。
3、根据权利要求2所述的新型β钛合金熔炼方法，其特征在于：上述工艺⑦中，获得成品钛合金锭，经分析检测，确认不是Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金时，还需继续以该钛合金锭为电极，再次进行-次或者多次真空自耗电弧炉熔炼，最终获得成品钛合金锭，在确认是Ti-5Al-4Sn-2Zr-4Mo-2Cr-1Fe系新型β钛合金后，才能将β钛合金锭去皮、去头尾，经锻造后成棒材，入库。
4、根据权利要求2或3所述的新型β钛合金的热处理工艺，其特征在于热处理包括固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为800℃～850℃，时间为15～40分钟，水冷；时效处理的温度为600℃～750℃，时间为≥8小时，风冷。
5、根据权利要求4所述的新型β钛合金的热处理工艺，其特征在于所述的固溶处理和时效处理最好在真空或微氧化状态进行。
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