CN103898359A - 一种钛合金及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛合金及其制备方法,涉及一种高冲击性能的钛合金,特别是用于石油、天然气等开采设备的高冲击性能的钛合金及其加工方法。其特征在于其合金的重量百分比组成为:Al:5.5-6.8%,V为3.5-4.5%,Zr:0.3%-3.0%,Mo:0.3%-2.0%,Nb:0%-1.0%,余量为Ti和不可避免的杂质。本发明的一种钛合金,其加工材的0℃冲击性能及室温拉伸等性能均可满足P110钢级钢材各项性能指标要求,可替代P110钢级钢材应用于石油、天然气等行业。与已有的各类钛合金相比,在冲击性能提高的基础上,兼顾了合金的室温拉伸性能、耐H2S、SO2、CO2及海水腐蚀性能。能有效满足石油天然气行业开采设备用材需求。
Description
技术领域
一种钛合金及其制备方法,涉及一种高冲击性能的钛合金,特别是用于石油、天然气等开采设备的高冲击性能的钛合金及其加工方法。
背景技术
目前,国内石油、天然气开采设备所用加工材大部分为钢材或进口钛合金材,国外该用途加工材早期亦为钢材,但由于使用环境气氛恶劣,存在H2S、SO2、CO2等腐蚀性介质,随着陆地、海上等的大量开采以及开采深度的逐步增加,井下气氛日益恶化,钢材的耐蚀性能已很难满足使用要求。
由于钛合金具有优良的耐蚀性,国外美、俄等国采用高性能钛合金材替代钢材,正在逐步实现开采设备的技术升级,使设备使用寿命大大延长。采用钛合金材替代钢材除应考虑耐蚀因素外,其力学性能亦需等同达到钢材较高的性能指标要求。而目前国内所生产的与该类P110钢级钢材强度级别相当的钛合金,其冲击性能尚无法达到P110钢级钢材指标要求。国内该行业对高冲击性能钛合金材需求迫切,但由于存在技术壁垒,关键技术尚未突破,目前尚无厂家可以生产。
高冲击性能钛合金材主要性能指标应相应满足美国石油学会标准—API Spec 5CT规范表1中对于P110钢级钢材的指标要求,同时应具有较好的耐蚀性。
表1 力学性能
众所周知,钛合金的耐蚀性能较钢有很强的优势,要实现以钛替钢,必须满足上表性能指标要求。与表1强度水平相当的各牌号钛合金,其冲击性能与表1指标相比均有一定差距。以目前应用最为成熟、广泛的钛合金牌号—Ti-6Al-4V为例,其力学性能与上表所列钢材的强度相当,但冲击性能与钢材有较大差距,表2列举了国军标(GJB493 航空发动机压气机叶片用TC4钛合金棒材、GJB2744 航空用钛及钛合金自由锻件和模锻件规范、GJB1169 航天用钛合金环材规范)中对TC4加工材的强度及室温冲击性能指标要求。
表2 Ti-6Al-4V钛合金加工材力学性能指标
对比表1及表2可见,Ti-6Al-4V牌号钛合金与P110钢级力学性能相当,但纵向冲击性能指标较钢材明显偏低,从以往加工材实测数据看,与表1中冲击性能指标亦存在一定差距。因此迫切需要研发出新型高性能钛合金材料和专有工艺技术,使强度、塑性及冲击韧性合理匹配,完全满足相应钢管指标要求。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足,提供一种强度与Ti-6Al-4V相当,而冲击性能更优的钛合金,其室温拉伸性能及0℃冲击性能均达到P110钢级指标要求的钛合金及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种钛合金,其特征在于其合金的重量百分比组成为Al:5.5%-6.8%,V:3.5%-4.5%,Zr:0.3%-3.0%,Mo:0.3%-2.0%,Nb:0%-1.0%,余量为Ti和不可避免的杂质。
本发明的一种钛合金可以采用真空自耗电弧熔炼方法制备。其合金中Mo与Nb均是同晶型β稳定元素,在钛合金中添加一定数量,可提高拉伸强度,同时可以保证一定量的β相,对提高合金的强韧性有好处。其中Mo可提高钛合金的热盐应力腐蚀抗力,Mo和Nb均可提高钛合金在还原介质中的耐蚀性。Zr为中性元素,对于提高合金强度、稳定α相及β相,抑制ω相的产生有一定作用,与Ti-6Al-4V合金相比,由于增加了上述三个元素,通过大量试验,得出了较为合理的合金成分控制范围,明显提高了合金冲击性能。
本发明的一种钛合金的加工方法,其特征在于其加工过程的步骤依次包括:
(1)将合金锭在高于其相变点100~200℃温度加热,进行开坯锻造,变形量控制在60%~80%;
(2)在低于相变点30~50℃的温度加热,进行中间锻造,变形量控制在60%~80%;
(3)在相变点温度加热,进行成品锻造或挤压,变形量控制在60%~90%。
本发明的一种钛合金的加工方法,其特征在于其加工过程的步骤还包括成品的热处理,其热处理制度为:真空退火650~700℃保温2h炉冷或电炉退火700~750℃保温2h空冷。
本发明的一种钛合金,是Ti-6Al-4V钛合金的改型,其钛合金加工材的0℃冲击性能及室温拉伸等性能均可满足P110钢级钢材各项性能指标(Rm≥862MPa、Rp0.2 758~965MPa、A50≥12%、0℃冲击功AKV8≥65J)要求,可替代P110钢级钢材应用于石油、天然气等行业。与已有的各类钛合金相比,在冲击性能提高的基础上,兼顾了合金的室温拉伸性能、耐H2S、SO2、CO2及海水腐蚀性能。能有效满足石油天然气行业开采设备用材需求。
具体实施方式
一种钛合金,其合金的重量百分比组成为Al:5.5%-6.8%,V为3.5%-4.5%,Zr:0.3%-3.0%,Mo:0.3%-2.0%,Nb:0%-1.0%,余量为Ti和不可避免的杂质。其加工过程的步骤依次包括:(1)将合金锭在高于其相变点100~200℃温度加热,进行开坯锻造,变形量控制在60%~80%;在低于相变点30~50℃的温度加热,进行中间锻造,变形量控制在60~80%;(4)在相变点温度加热,进行成品锻造或挤压,变形量控制在60~90%;成品的热处理制度为:真空退火650~700℃保温2h炉冷或电炉退火700~750℃保温2h空冷。
现结合实施例对本发明作进一步描述:
实施例1
按重量百分比配料,分别熔炼Ti-6Al-4V及本发明的钛合金铸锭各一个,其中Ti-6Al-4V目标成分为Al:6.0%,V:4.0%,Ti余量;本发明的钛合金铸锭目标成分为Al:6.0%,V:4.0%,Zr:0.35%,Mo:0.35%,Ti余量。
经700℃保温2h空冷电炉退火后测试性能,数据见表3。
表3 室温拉伸性能及0℃冲击性能
实施例2
按重量百分比配料,分别熔炼Ti-6Al-4V及本发明的钛合金铸锭各一个,其中Ti-6Al-4V目标成分为Al:6.5%,V:4.4%,Ti余量;本发明的钛合金目标成分为Al:6.5%,V:4.4%,Zr:0.35%,Mo:0.35%,Nb:0.35%,Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭,铸锭在相变点以上200℃加热锻造,变形量为75%,在相变点以下40℃加热,锻造变形量为70%,锻为260mm棒坯,经钻镗孔及外表面机加,制备为挤压用锭坯,而后在相变点温度加热挤压,挤压为10822mm管材,挤压变形量为90%。
经650℃保温2h炉冷真空退火后测试性能,数据见表4。
实施例3
按重量百分比配料,熔炼本发明的钛合金铸锭一个,目标成分为Al:5.8%,V:3.8%,Zr:1.5%,Mo1.0%,Nb:0.6%,Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭,铸锭在相变点以上100℃加热锻造,变形量为62%,在相变点以下50℃加热,锻造变形量为67%,而后在相变点温度加热,锻造变形量为69%,锻造为125mm棒材。
经700℃保温2h空冷电炉退火后测试性能,数据见表5。
表5
实施例4
按重量百分比配料,熔炼本发明的钛合金铸锭一个,目标成分为Al:5.6%,V:3.6%,Zr:2.9%,Mo1.8%,Nb:1.0%,Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭,铸锭在相变点以上120℃加热锻造,变形量为70%,在相变点以下30℃加热,锻造变形量为75%,而后在相变点温度加热,锻造变形量为75%,锻造为125mm棒材。
经750℃保温2h空冷电炉退火后测试性能,数据见表6。
表6
实施例5
按重量百分比配料,熔炼本发明的钛合金铸锭一个,目标成分为Al:6.8%,V:3.5%,Zr:0.3%,Mo2.0%,Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭,铸锭在相变点以上200℃加热锻造,变形量为80%,在相变点以下50℃加热,锻造变形量为60%,而后在相变点温度加热,挤压为10822mm管材,挤压变形量为90%。
经680℃保温2h炉冷真空退火后测试性能,数据见表7。
表7
实施例6
按重量百分比配料,熔炼本发明的钛合金铸锭一个,目标成分为Al:5.5%,V:4.5%,Zr:3.0%,Mo0.3%,Nb:0.8%,Ti余量。经真空自耗电弧炉两次熔炼得到铸锭,铸锭在相变点以上150℃加热锻造,变形量为75%,在相变点以下40℃加热,锻造变形量为80%,而后在相变点温度加热,锻造变形量为60%,锻造为125mm棒材。
经700℃保温2h炉冷真空退火后测试性能,数据见表8。
表8
Claims (3)
1.一种钛合金,其特征在于其合金的重量百分比组成为Al:5.5%-6.8%,V为3.5%-4.5%,Zr:0.3%-3.0%,Mo:0.3%-2.0%,Nb:0%-1.0%,余量为Ti和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金的加工方法,其特征在于其加工过程的步骤依次包括:
(1)将合金锭在高于其相变点100~200℃温度加热,进行开坯锻造,变形量控制在60%~80%;
(2)在低于相变点30~50℃温度加热,进行中间锻造,变形量控制在60%~80%;
(3)在相变点温度加热,进行成品锻造或挤压,变形量控制在60%~90%。
3.根据权利要求2所述的一种钛合金的加工方法,其特征在于其加工过程的步骤还包括成品的热处理,其热处理制度为:真空退火650~700℃保温2h炉冷或电炉退火700~750℃保温2h空冷。
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