CN101886189B - 一种β钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种β钛合金及其制备方法，涉及一种钛合金。提供一种综合性能优异的β钛合金及其制备方法。β钛合金的组成及其按质量百分比的含量为钒6％～10％、铝2％～4％、铬2％～4％、铌0％～13％、锡0％～3％、锆0％～5％、钼0％～4％、硼0％～0.05％，余量为钛。将海绵态的钛和锆放入电弧炉，抽真空后充入氩气进行熔炼，再将熔炼后的钛和锆，与钒、铝、铬、铌、锡、钼、硼进行熔炼，得到β钛合金锭材；将β钛合金锭材进行均匀化热处理后，随炉冷却；将经过热处理的β钛合金锭材热轧成片状合金材料；将得到的片状合金材料切成试样，固溶处理后冰水淬火，然后进行时效处理，即得β钛合金。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金，尤其是涉及一种综合性能优异的β钛合金及其制备方法。
背景技术
钛合金因其比强度高和抗腐蚀性好而成为航天航空工业、医药工程、化学工业以及休闲行业等的优先选用材料。如航天航空领域以及汽车领域采用钛合金能够提升性能并且降低能耗，而高尔夫球杆头采用钛合金可使球杆头体积更大，因而击球更准更远。目前已经开发比较成熟的Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn和Ti-22V-4Al等β钛合金以塑性好而在这些领域广泛应用，但以上合金因强度较低而限制了进一步的发展；同时贵重原料钒的大量加入，使得这些钛合金的成本上升而抗氧化性下降；而且随着科技及社会的发展，对β钛合金综合性能的要求越来越高。因此，近年来对于成本较低而综合性能优良的β钛合金研发越来越受到人们的重视。
目前，在已有的专利文献中，大家更多的是关注β钛合金的弹性模量、塑性或者强度单一方面的性能，而对于综合性能优异的文献却较少。
中国专利CN101010438公开一种具有优异的冷加工性，并且具有比Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金有更高强度的β型钛合金，其以重量％计，含有：V：5～15％、Fe：0.5～2.5％、Mo：0.5～6％、Cr：0.5～5％，并且在设所含有的V的重量％为XV，所含有的Fe的重量％为XFe，所含有的Mo的重量％为XMo，所含有的Cr的重量％为XCr时，XV+2.95XFe+1.5XMo+1.65XCr的值为15～23％，还含有Al：1.5～5％，余量由Ti以及杂质构成。虽然具有良好的冷加工性能且时效后强度可达1300MPa左右，但是没有公布其具体的塑性指标。
中国专利CN101182609公开了一种紧固件用钛合金，该合金按重量百分比组成为：V14～16％，Cr 2.5～3.5％，Al 2.5～3.5％，Sn 2.5～3.5％，Nb 0.5～5％，Zr 0.5～5％，Ta 0.1％-1.5％，余量为钛及不可避免的杂质。本发明所制备的合金棒材和板材具有良好的综合性能，尤其是强度和塑性匹配优异，室温拉伸性能：σb≥1250MPa，δ5≥10％，Ψ≥30％，可以在350℃下长期使用；该合金在最佳热处理下其抗拉强度达到1250MPa以上，延伸率达到13％以上，面缩率达到36％以上。虽然具有强度与塑性匹配较好的性能，但是较高的钒含量使得成本上升而抗氧化性下降；同样对于综合性能较优的Ti-20V-4Al-1Sn也存在着钒含量偏高的不足。
中国专利CN101314827公开了一种β型钛合金，其重量百分比为钼9％～15％，铌6％～10％，钽2％～6％，锆2％～6％，铝1％～3％，铁≤1.0％，碳≤0.1％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.02％，余量为钛。其制备方法为采用海绵钛，纯铝，海绵锆，Ti-31％Mo、Ti-53％Nb、Al-80％Ta混料后制成自耗电极；经真空自耗电弧炉熔炼获得一次铸锭；由一次铸锭作为自耗电极进行熔炼获得二次铸锭；由二次铸锭作为自耗电极真空自耗熔炼成成品钛合金锭。本发明不仅具有高强度，而且具有较高的延伸率和塑性，既能满足应用需求的强度，又易于加工成型、减少能耗。虽然具有高强度和较高塑性，抗拉强度为1060～1200MPa，同时收缩率能够达到30％～50％，但是该合金含有熔点很高且价格昂贵的贵金属钽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种综合性能优异的β钛合金及其制备方法。
本发明所述β钛合金的组成及其按质量百分比的含量为钒6％～10％、铝2％～4％、铬2％～4％、铌0％～13％、锡0％～3％、锆0％～5％、钼0％～4％、硼0％～0.05％，余量为钛。
本发明所述β钛合金的制备方法包括以下步骤：
1)将海绵态的钛和锆放入电弧炉，抽真空后充入氩气进行熔炼，再将熔炼后的钛和锆，与钒、铝、铬、铌、锡、钼、硼进行熔炼，得到β钛合金锭材；
2)将β钛合金锭材进行均匀化热处理后，随炉冷却；
3)将经过热处理的β钛合金锭材热轧成片状合金材料；
4)将得到的片状合金材料切成试样，固溶处理后冰水淬火，然后进行时效处理，即得β钛合金。
在步骤1)中，所述再将熔炼后的钛和锆，与钒、铝、铬、铌、锡、钼、硼进行熔炼，最好将熔炼后的钛和锆，与钒、铝、铬、铌、锡、钼、硼各原料放入非自耗真空电弧炉内，可多次翻转熔炼；所述抽真空的真空度至少6×10-3Pa，充入氩气至0.5～0.7×105Pa，所述翻转熔炼最好至少翻转4次；所述钛、锆、钒、铝、铬、铌、锡、钼、硼各原料的纯度最好不小于99.5％。
在步骤2)中，所述均匀化热处理的温度可为900～1000℃，均匀化热处理的时间最好至少12h；所述均匀化热处理的真空度最好为2×10-3～5×10-3Pa。
在步骤3)中，所述热轧的温度可为700～800℃；所述片状合金材料的厚度最好为1～2mm。
在步骤4)中，所述将得到的片状合金材料切成试样可采用线切割方法切成试样；所述固溶处理的温度最好为900～1000℃，固溶处理的时间最好为0.5～1.5h；所述时效处理的温度最好为400～500℃，时效处理的时间最好为0.5～3h；试样最好为哑铃状拉伸试样。
与现有的β钛合金相比，本发明的突出优点是：
实现了强度和塑性的良好结合，具有优异的综合性能。经过拉伸实验，结果表明该β钛合金固溶态的室温拉伸强度为770～840MPa，延伸率20％以上；时效态的室温拉伸强度为1200～1300MPa，延伸率6％以上。能够满足汽车零部件、高强度连接件、眼镜架、焊丝、高尔夫球头等多种行业的需求。同时成本较低。
附图说明
图1为Ti-9V-4Al-2Zr-13Nb-2Cr钛合金片材固溶态的室温拉伸应力应变曲线。在图1中，横坐标为拉伸应变Tensile Strain(％)，纵坐标为拉伸应力Tensile Stress(MPa)。
图2为Ti-9V-4Al-2Zr-13Nb-2Cr钛合金片材时效态的室温拉伸应力应变曲线。在图2中，横坐标为拉伸应变Tensile Strain(％)，纵坐标为拉伸应力Tensile Stress(MPa)。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：制备Ti-9V-4Al-2Zr-13Nb-2Cr钛合金
先分别将海绵态的钛和锆放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气至0.7×105Pa后翻转熔炼2次，然后将高纯的钒、铝、铬、铌和之前熔炼好的钛和锆按重量百分比称量、清洗后放入非自耗真空电弧炉内，按之前的方法并配合磁搅拌反复熔炼5次，得到β钛合金锭材。将上述制得的β钛合金锭材放入真空热处理炉内进行均匀化热处理，真空度为5×10-3Pa，热处理温度900℃下保温24h后，随炉冷却。将上述经过热处理的β钛合金锭材在800℃进行热轧，将合金锭材热轧成1mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样，然后封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在900℃保温1h，然后迅速进行水淬，即得到本发明要求的固溶态拉伸试样。其中一部分固溶态拉伸试样在淬火后进行时效处理，也是封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在500℃保温0.5h，即得到本发明要求的时效态拉伸试样。
采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述钛合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.5mm/min。拉伸结果：固溶态的抗拉强度770MPa，延伸率23％(拉伸曲线见图1)；时效态的抗拉强度1290MPa，延伸率6％(拉伸曲线见图2)。
实施例2：制备Ti-9V-3Al-4Cr-3Sn-3.5Nb钛合金
先将海绵态的钛放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气至0.7×105Pa后翻转熔炼2次，然后将高纯的钒、铝、铬、铌、锡和之前熔炼好的钛按重量百分比称量、清洗后放入非自耗真空电弧炉内，按之前的方法并配合磁搅拌反复熔炼5次，得到β钛合金锭材。将上述制得的β钛合金锭材放入真空热处理炉内进行均匀化热处理，真空度为5×10-3Pa，热处理温度900℃下保温24h后，随炉冷却。将上述经过热处理的β钛合金锭材在800℃进行热轧，将合金锭材热轧成1mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样，然后封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在900℃保温1.5h，然后迅速进行水淬，即得到本发明要求的固溶态拉伸试样。其中一部分固溶态拉伸试样在淬火后进行时效处理，也是封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在500℃保温0.5h，即得到本发明要求的时效态拉伸试样。
采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述钛合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.5mm/min。拉伸结果：固溶态的抗拉强度790MPa，延伸率20％；时效态时抗拉强度1250MPa，延伸率8％。
实施例3：制备Ti-6V-3Al-5Zr-8.5Nb-3Mo-2Cr钛合金
先分别将海绵态的钛和锆放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气至0.7×105Pa后翻转熔炼2次，然后将高纯的钒、铝、铬、铌、钼和之前熔炼好的钛和锆按重量百分比称量、清洗后放入非自耗真空电弧炉内，按之前的方法并配合磁搅拌反复熔炼5次，得到β钛合金锭材。将上述制得的β钛合金锭材放入真空热处理炉内进行均匀化热处理，真空度为5×10-3Pa，热处理温度1000℃下保温12h后，随炉冷却。将上述经过热处理的β钛合金锭材在700℃进行热轧，将合金锭材热轧成1mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样，然后封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在1000℃保温0.5h，然后迅速进行水淬，即得到本发明要求的固溶态拉伸试样。其中一部分固溶态拉伸试样在淬火后进行时效处理，也是封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在450℃保温0.5h，即得到本发明要求的时效态拉伸试样。
采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述钛合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.5mm/min。拉伸结果：固溶态的抗拉强度780MPa，延伸率23％；时效态时抗拉强度1260MPa，延伸率9％。
实施例4：制备Ti-9V-2.5Al-3Cr-5Zr-4Mo钛合金
先分别将海绵态的钛和锆放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气至0.7×105Pa后翻转熔炼2次，然后将高纯的钒、铝、铬、钼和之前熔炼好的钛和锆按重量百分比称量、清洗后放入非自耗真空电弧炉内，按之前的方法并配合磁搅拌反复熔炼5次，得到β钛合金锭材。将上述制得的β钛合金锭材放入真空热处理炉内进行均匀化热处理，真空度为5×10-3Pa，热处理温度1000℃下保温12h后，随炉冷却。将上述经过热处理的β钛合金锭材在700℃进行热轧，将合金锭材热轧成1mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样，然后封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在900℃保温45min，然后迅速进行水淬，即得到本发明要求的固溶态拉伸试样。其中一部分固溶态拉伸试样在淬火后进行时效处理，也是封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在400℃保温3h，即得到本发明要求的时效态拉伸试样。
采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述钛合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.5mm/min。拉伸结果：固溶态的抗拉强度800MPa，延伸率20％；时效态时抗拉强度1210MPa，延伸率6％。
实施例5：制备Ti-10V-2Al-3Cr-2.5Zr-2.5Mo-0.02B钛合金
先分别将海绵态的钛和锆放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气至0.7×105Pa后翻转熔炼2次，然后将高纯的钒、铝、铬、钼、硼和之前熔炼好的钛和锆按重量百分比称量、清洗后放入非自耗真空电弧炉内，按之前的方法并配合磁搅拌反复熔炼5次，得到β钛合金锭材。将上述制得的β钛合金锭材放入真空热处理炉内进行均匀化热处理，真空度为5×10-3Pa，热处理温度900℃下保温24h后，随炉冷却。将上述经过热处理的β钛合金锭材在800℃进行热轧，将合金锭材热轧成1mm厚的片状合金材料。将上述得到的合金片材用线切割方法切成哑铃状拉伸试样，然后封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在900℃保温45min，然后迅速进行水淬，即得到本发明要求的固溶态拉伸试样。其中一部分固溶态拉伸试样在淬火后进行时效处理，也是封装在充有氩气保护的石英管中再放入热处理炉中，试样在450℃保温0.5h，即得到本发明要求的时效态拉伸试样。
采用Galdabini Sun-2500型拉伸机进行上述钛合金片材的拉伸应力-应变测试，拉伸速率为0.5mm/min。拉伸结果：固溶态的抗拉强度840MPa，延伸率21％；时效态时抗拉强度1300MPa，延伸率6％。
Claims (5)
1.一种β钛合金的制备方法，其特征在于所述β钛合金的组成及其按质量百分比的含量为钒6％～10％、铝2％～4％、铬2％～4％、铌0％～13％、锡0％～3％、锆0％～5％、钼0％～4％、硼0％～0.05％，余量为钛，所述铌、锡、锆、钼、硼均不为0；
所述制备方法包括以下步骤：
1)将海绵态的钛和锆放入电弧炉，抽真空后充入氩气进行熔炼，再将熔炼后的钛和锆，与钒、铝、铬、铌、锡、钼、硼进行熔炼，得到β钛合金锭材；
2)将β钛合金锭材进行均匀化热处理后，随炉冷却；所述均匀化热处理的温度为900～1000℃，均匀化热处理的时间至少12h；所述均匀化热处理的真空度为2×10-3～5×10-3Pa；
3)将经过热处理的β钛合金锭材热轧成片状合金材料；所述热轧的温度为700～800℃；
4)将得到的片状合金材料切成试样，固溶处理后冰水淬火，然后进行时效处理，即得β钛合金；所述固溶处理的温度为900～1000℃，固溶处理的时间为0.5～1.5h；所述时效处理的温度为400～500℃，时效处理的时间为0.5～3h。
2.如权利要求1所述的一种β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述再将熔炼后的钛和锆，与钒、铝、铬、铌、锡、钼、硼进行熔炼，是将熔炼后的钛和锆，与钒、铝、铬、铌、锡、钼、硼各原料放入非自耗真空电弧炉内，翻转熔炼。
3.如权利要求1所述的一种β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述抽真空的真空度至少6×10-3Pa，充入氩气至0.5～0.7×105Pa。
4.如权利要求2所述的一种β钛合金的制备方法，其特征在于所述翻转熔炼至少翻转4次。
5.如权利要求1所述的一种β钛合金的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述片状合金材料的厚度为1～2mm。
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