CN104726746A - 一种高强亚稳定β型钛合金棒材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强亚稳定β型钛合金棒材，由以下原子百分比的成分组成：Al3％，V5％，Mo5％，Cr4％～6％，余量为Ti和不可避免的杂质。另外，本发明还公开了制备该亚稳定β型钛合金棒材的方法，该方法为：一、制备钛合金铸锭；二、开坯锻造制备锻坯；三、墩拔锻造和径向锻造制备半成品钛合金棒材；四、将半成品钛合金棒材经固溶处理和时效处理后得到亚稳定β型钛合金棒材。本发明采用特定的热加工锻造工艺和固溶时效处理制度制备得到的高强亚稳定β型钛合金棒材具有优良的综合力学性能：室温条件下的抗拉强度≥1290MPa，屈服强度≥1190MPa，延伸率≥11％，断面收缩率≥45％。
Description
技术领域
本发明属于钛合金材料制备技术领域，具体涉及一种高强亚稳定β型钛合金棒材及其制备方法。
背景技术
钛合金因具有较高的比强度和良好的综合力学性能，已被广泛地应用于航空、航天、船舶、石油、化工、车辆工程和生物医学工程等领域。高强钛合金通常是指经热处理后室温抗拉强度Rm不小于1100MPa的钛合金。β型钛合金拥有优异的冷热塑性加工性能和易锻造变形性能，可通过固溶+时效处理或者形变热处理工艺得到较高的综合力学性能。目前，国内外在航空飞行器上获得实际应用的高强β型钛合金主要有Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-1023)，Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr(BT22)，Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si(β-21S)，Ti-8V-6Cr-4Mo-4Zr-3Al(β-C)，Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.6Fe(Timetal555)，Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr(VST55531)，Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr(TB2)等。通常，β型钛合金的β相稳定系数≥1，β相稳定系数在1.5～2.5之间的β型钛合金叫做亚稳定β型钛合金。β型钛合金在β单相区固溶后急速冷却可获得几乎全部为亚稳β相的显微组织，亚稳定β相在低温时效热处理过程中发生相分解，在β基体上弥散析出细小次生α相(αs)，使得合金的强度增加。亚稳定β型钛合金的综合力学性能主要取决于合金成分，热加工工艺，热处理制度和显微组织(包括晶粒度、晶界处α相析出量、初生和次生α相的形貌和尺寸等)。
Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al合金(TB2)是一种亚稳定β型钛合金，已有研究表明：该合金具有强度高、淬透性和断裂韧性良好等优良的综合力学性能。但是，TB2合金在被用作大截面锻造结构件时，在使用过程发现其可锻造加工性能和具有高强度时的延伸率均不及高强度α+β型钛合金。高合金化是造成亚稳定β型钛合金TB2大截面锻造结构件延伸率低和可锻造加工性能差的主要原因之一。TB2钛合金中的Cr含量为8％，同早期其他β型钛合金相比其Cr含量较高，使得合金的β转变点温度(Tβ)较低，在β相区锻造加工时，由于显微组织中没有α相，且破碎的β晶粒在锻造过程中又被反复加热，致使晶粒再次长大，造成显微组织粗化，这将严重影响合金的延伸率。另外，高Cr含量还会使得TB2合金在锻造变形过程中的变形抗力增加，致使锻造温度高、火次多，延长了整个锻件的热加工工序，造成最终热锻组织粗大，降低了合金的室温塑性。
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中的不足，提供一种高强亚稳定β型钛合金棒材，该高强亚稳定β型钛合金棒材具有优良的综合力学性能：室温条件下的抗拉强度≥1290MPa，屈服强度≥1190MPa，延伸率≥11％，断面收缩率≥45％。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高强亚稳定β型钛合金棒材，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 4％～6％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高强亚稳定β型钛合金棒材在室温条件下的抗拉强度≥1290MPa。
上述的一种高强亚稳定β型钛合金棒材，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 4％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种高强亚稳定β型钛合金棒材，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种高强亚稳定β型钛合金棒材，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
进一步的，本发明还提供了制备该高强亚稳定β型钛合金棒材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、钼粉、Al-V中间合金和铬片按设计成分混合均匀后压制成电极棒，将多个电极棒焊接成电极，然后将所述电极置于真空电弧熔炼炉中，经过三次熔炼制备得到钛合金铸锭；
步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭置于3150T油压机中，在温度为1100℃～1200℃的条件下进行开坯锻造，得到锻坯；
步骤三、将步骤二中所述锻坯置于1250T快锻机组中，在温度为850℃～950℃的条件下进行墩拔锻造，得到锻件，然后将所述锻件置于精锻机中，在温度为750℃～850℃的条件下进行径向锻造，得到半成品钛合金棒材；
步骤四、将步骤三中所述半成品钛合金棒材在750℃～800℃的条件下保温30min～60min进行固溶处理，再随炉冷却至500℃～600℃保温2h～8h进行时效处理，然后空冷至室温，得到亚稳定β型钛合金棒材。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述0级海绵钛的平均粒度不大于13.0mm，所述铬片的平均粒度不大于2mm。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述钼粉和铬片的质量纯度均不低于99.9％。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述径向锻造过程中采用红外线测温仪监测锻件表面温度，确保径向锻造温度的变化范围在-10℃～10℃内。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述半成品钛合金棒材的横截面为圆形，所述横截面的直径为85mm～90mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明高强亚稳定β型钛合金棒材具有优良的综合力学性能：室温条件下的抗拉强度≥1290MPa，屈服强度≥1190MPa，延伸率≥11％，断面收缩率≥45％。
2、本发明通过降低钛合金中β稳定元素Cr的含量，提高相变点，降低钛合金的高温变形抗力，获得较细的锻造组织，能够提高钛合金的可锻性和延伸率，制备得到的钛合金棒材具有良好的强度和塑性匹配。
3、本发明采用特定的热加工锻造工艺和固溶时效处理制度，使得原始铸态中的β晶粒能够在开坯锻造、墩拔锻造和径向锻造的热加工过程中得到充分地破碎，在径向锻造过程中可优化采用红外线测温仪对锻件表面进行温度监测，确保径向锻造温度的变化范围在-10℃～10℃内，从而使径向锻造过程中锻件得变形抗力小，易控制，随后经固溶处理和时效处理后能够使得钛合金中的次生α相在β基体上弥散析出，从而使得钛合金棒材在具有高强度的同时还具有良好的塑性，能够满足部分航空航天结构件的力学性能需求。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1高强亚稳定β型钛合金棒材的金相组织图。
图2为本发明实施例1高强亚稳定β型钛合金棒材的SEM照片。
图3为本发明实施例2高强亚稳定β型钛合金棒材的金相组织图。
图4为本发明实施例2高强亚稳定β型钛合金棒材的SEM照片。
图5为本发明实施例3高强亚稳定β型钛合金棒材的金相组织图。
图6为本发明实施例3高强亚稳定β型钛合金棒材的SEM照片。
图7为本发明实施例4高强亚稳定β型钛合金棒材的金相组织图。
图8为本发明实施例4高强亚稳定β型钛合金棒材的SEM照片。
具体实施方式
本发明实施例1～实施例6中使用的1250T快锻机组的生产厂家为江苏天工国际有限公司。
实施例1
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 4％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高强亚稳定β型钛合金棒材在室温条件下的抗拉强度≥1290MPa。
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、钼粉、Al-V中间合金和铬片按设计成分混合均匀后压制成电极棒，将4个电极棒焊接成电极，然后将所述电极置于真空电弧熔炼炉中，经过三次熔炼制备得到钛合金铸锭；所述0级海绵钛的平均粒度不大于13.0mm，所述铬片的平均粒度不大于2mm，所述钼粉和铬片的质量纯度均不低于99.9％；
步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭置于3150T油压机中，在温度为1200℃的条件下进行开坯锻造，得到锻坯；所述锻坯的横截面为方形，所述横截面的尺寸为210mm×210mm；
步骤三、将步骤二中所述锻坯置于1250T快锻机组中，在温度为950℃的条件下进行墩拔锻造，得到锻件，然后将所述锻件置于精锻机中，在温度为850℃的条件下进行径向锻造，得到半成品钛合金棒材；所述径向锻造的过程中采用红外线测温仪监测锻件表面温度，确保径向锻造温度的变化范围在-10℃～10℃内；所述半成品钛合金棒材的横截面为圆形，所述横截面的直径为90mm；
步骤四、将步骤三中所述半成品钛合金棒材在800℃的条件下保温30min进行固溶处理，再随炉冷却至600℃保温2h进行时效处理，然后空冷至室温，得到高强亚稳定β型钛合金棒材。
室温条件下测试本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的力学性能，结果为抗拉强度为1340MPa，屈服强度为1220MPa，延伸率为11％，断面收缩率为45％。
从图1和图2中可以看出，本实施例制备的高强亚稳定β型钛合金棒材的显微组织中在原始β基体上析出大量弥散分布的针状次生α相，且次生α相的长度约为2μm～3μm，β晶粒中均匀析出细小的弥散型次生α相可以保证该钛合金棒材具有高的强度和良好的塑性匹配。
实施例2
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 5％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高强亚稳定β型钛合金棒材在室温条件下的抗拉强度≥1290MPa。
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、钼粉、Al-V中间合金和铬片按设计成分混合均匀后压制成电极棒，将3个电极棒焊接成电极，然后将所述电极置于真空电弧熔炼炉中，经过三次熔炼制备得到钛合金铸锭；所述0级海绵钛的平均粒度不大于13.0mm，所述铬片的平均粒度不大于2mm，所述钼粉和铬片的质量纯度均不低于99.9％；
步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭置于3150T油压机中，在温度为1150℃的条件下进行开坯锻造，得到锻坯；所述锻坯的横截面为方形，所述横截面的尺寸为210mm×210mm；
步骤三、将步骤二中所述锻坯置于1250T快锻机组中，在温度为900℃的条件下进行墩拔锻造，得到锻件，然后将所述锻件置于精锻机中，在温度为800℃的条件下进行径向锻造，得到半成品钛合金棒材；所述径向锻造的过程中采用红外线测温仪监测锻件表面温度，确保径向锻造温度的变化范围在-10℃～10℃内；所述半成品钛合金棒材的横截面为圆形，所述横截面的直径为90mm；
步骤四、将步骤三中所述半成品钛合金棒材在750℃的条件下保温60min进行固溶处理，再随炉冷却至550℃保温4h进行时效处理，然后空冷至室温，得到高强亚稳定β型钛合金棒材。
室温条件下测试本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的力学性能，结果为抗拉强度为1290MPa，屈服强度为1190MPa，延伸率为12.5％，断面收缩率为48％。
从图3和图4中可以看出，本实施例制备的高强亚稳定β型钛合金棒材的显微组织中在原始β基体上析出大量弥散分布的针状次生α相，且次生α相的长度约为3μm～5μm，β晶粒中均匀析出细小的弥散型次生α相可以保证该钛合金棒材具有高的强度和良好的塑性匹配。
实施例3
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 6％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高强亚稳定β型钛合金棒材在室温条件下的抗拉强度≥1290MPa。
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、钼粉、Al-V中间合金和铬片按设计成分混合均匀后压制成电极棒，将3个电极棒焊接成电极，然后将所述电极置于真空电弧熔炼炉中，经过三次熔炼制备得到钛合金铸锭；所述0级海绵钛的平均粒度不大于13.0mm，所述铬片的平均粒度不大于2mm，所述钼粉和铬片的质量纯度均不低于99.9％；
步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭置于3150T油压机中，在温度为1100℃的条件下进行开坯锻造，得到锻坯；所述锻坯的横截面为方形，所述横截面的尺寸为210mm×210mm；
步骤三、将步骤二中所述锻坯置于1250T快锻机组中，在温度为850℃的条件下进行墩拔锻造，得到锻件，然后将所述锻件置于精锻机中，在温度为750℃的条件下进行径向锻造，得到半成品钛合金棒材；所述径向锻造的过程中采用红外线测温仪监测锻件表面温度，确保径向锻造温度的变化范围在-10℃～10℃内；所述半成品钛合金棒材的横截面为圆形，所述横截面的直径为90mm；
步骤四、将步骤三中所述半成品钛合金棒材在750℃的条件下保温30min进行固溶处理，再随炉冷却至500℃保温8h进行时效处理，然后空冷至室温，得到高强亚稳定β型钛合金棒材。
室温条件下测试本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的力学性能，结果为抗拉强度为1300MPa，屈服强度为1210MPa，延伸率为12.1％，断面收缩率为46％。
从图5和图6中可以看出，本实施例制备的高强亚稳定β型钛合金棒材的显微组织中在原始β基体上析出大量弥散分布的针状次生α相，且次生α相的长度约为3μm～6μm，β晶粒中均匀析出细小的弥散型次生α相可以保证该钛合金棒材具有高的强度和良好的塑性匹配。
实施例4
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 6％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高强亚稳定β型钛合金棒材在室温条件下的抗拉强度≥1290MPa。
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、钼粉、Al-V中间合金和铬片按设计成分混合均匀后压制成电极棒，将4个电极棒焊接成电极，然后将所述电极置于真空电弧熔炼炉中，经过三次熔炼制备得到钛合金铸锭；所述0级海绵钛的平均粒度不大于13.0mm，所述铬片的平均粒度不大于2mm，所述钼粉和铬片的质量纯度均不低于99.9％；
步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭置于3150T油压机中，在温度为1100℃的条件下进行开坯锻造，得到锻坯；所述锻坯的横截面为方形，所述横截面的尺寸为210mm×210mm；
步骤三、将步骤二中所述锻坯置于1250T快锻机组中，在温度为850℃的条件下进行墩拔锻造，得到锻件，然后将所述锻件置于精锻机中，在温度为750℃的条件下进行径向锻造，得到半成品钛合金棒材；所述径向锻造的过程中采用红外线测温仪监测锻件表面温度，确保径向锻造温度的变化范围在-10℃～10℃内；所述半成品钛合金棒材的横截面为圆形，所述横截面的直径为90mm；
步骤四、将步骤三中所述半成品钛合金棒材在750℃的条件下保温30min进行固溶处理，再随炉冷却至500℃保温6h进行时效处理，然后空冷至室温，得到高强亚稳定β型钛合金棒材。
室温条件下测试本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的力学性能，结果为抗拉强度为1295MPa，屈服强度为1208MPa，延伸率为12.3％，断面收缩率为48％。
从图7和图8中可以看出，本实施例制备的高强亚稳定β型钛合金棒材的显微组织中在原始β基体上析出大量弥散分布的针状次生α相，且次生α相的长度约为2μm～4μm，β晶粒中均匀析出细小的弥散型次生α相可以保证该钛合金棒材具有高的强度和良好的塑性匹配。
实施例5
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 4.5％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高强亚稳定β型钛合金棒材在室温条件下的抗拉强度≥1290MPa。
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、钼粉、Al-V中间合金和铬片按设计成分混合均匀后压制成电极棒，将3个电极棒焊接成电极，然后将所述电极置于真空电弧熔炼炉中，经过三次熔炼制备得到钛合金铸锭；所述0级海绵钛的平均粒度不大于13.0mm，所述铬片的平均粒度不大于2mm，所述钼粉和铬片的质量纯度均不低于99.9％；
步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭置于3150T油压机中，在温度为1120℃的条件下进行开坯锻造，得到锻坯；所述锻坯的横截面为方形，所述横截面的尺寸为200mm×200mm；
步骤三、将步骤二中所述锻坯置于1250T快锻机组中，在温度为900℃的条件下进行墩拔锻造，得到锻件，然后将所述锻件置于精锻机中，在温度为850℃的条件下进行径向锻造，得到半成品钛合金棒材；所述径向锻造的过程中采用红外线测温仪监测锻件表面温度，确保径向锻造温度的变化范围在-10℃～10℃内；所述半成品钛合金棒材的横截面为圆形，所述横截面的直径为85mm；
步骤四、将步骤三中所述半成品钛合金棒材在780℃的条件下保温45min进行固溶处理，再随炉冷却至540℃保温5h进行时效处理，然后空冷至室温，得到高强亚稳定β型钛合金棒材。
室温条件下测试本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的力学性能，结果为抗拉强度为1293MPa，屈服强度为1195MPa，延伸率为12.2％，断面收缩率为47％。
实施例6
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 5.5％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高强亚稳定β型钛合金棒材在室温条件下的抗拉强度≥1290MPa。
本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、钼粉、Al-V中间合金和铬片按设计成分混合均匀后压制成电极棒，将4个电极棒焊接成电极，然后将所述电极置于真空电弧熔炼炉中，经过三次熔炼制备得到钛合金铸锭；所述0级海绵钛的平均粒度不大于13.0mm，所述铬片的平均粒度不大于2mm，所述钼粉和铬片的质量纯度均不低于99.9％；
步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭置于3150T油压机中，在温度为1150℃的条件下进行开坯锻造，得到锻坯；所述锻坯的横截面为方形，所述横截面的尺寸为205mm×205mm；
步骤三、将步骤二中所述锻坯置于1250T快锻机组中，在温度为920℃的条件下进行墩拔锻造，得到锻件，然后将所述锻件置于精锻机中，在温度为830℃的条件下进行径向锻造，得到半成品钛合金棒材；所述径向锻造的过程中采用红外线测温仪监测锻件表面温度，确保径向锻造温度的变化范围在-10℃～10℃内；所述半成品钛合金棒材的横截面为圆形，所述横截面的直径为85mm；
步骤四、将步骤三中所述半成品钛合金棒材在760℃的条件下保温40min进行固溶处理，再随炉冷却至550℃保温4h进行时效处理，然后空冷至室温，得到高强亚稳定β型钛合金棒材。
室温条件下测试本实施例高强亚稳定β型钛合金棒材的力学性能，结果为抗拉强度为1291MPa，屈服强度为1194MPa，延伸率为12.0％，断面收缩率为45％。
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，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种高强亚稳定β型钛合金棒材，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 4％～6％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高强亚稳定β型钛合金棒材在室温条件下的抗拉强度≥1290MPa。
2.按照权利要求1所述的一种高强亚稳定β型钛合金棒材，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 4％，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.按照权利要求1所述的一种高强亚稳定β型钛合金棒材，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.按照权利要求1所述的一种高强亚稳定β型钛合金棒材，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al 3％，V 5％，Mo 5％，Cr 6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
5.制备如权利要求1～4中任一权利要求所述高强亚稳定β型钛合金棒材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、钼粉、Al-V中间合金和铬片按设计成分混合均匀后压制成电极棒，将多个电极棒焊接成电极，然后将所述电极置于真空电弧熔炼炉中，经过三次熔炼制备得到钛合金铸锭；
步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭置于3150T油压机中，在温度为1100℃～1200℃的条件下进行开坯锻造，得到锻坯；
步骤三、将步骤二中所述锻坯置于1250T快锻机组中，在温度为850℃～950℃的条件下进行墩拔锻造，得到锻件，然后将所述锻件置于精锻机中，在温度为750℃～850℃的条件下进行径向锻造，得到半成品钛合金棒材；
步骤四、将步骤三中所述半成品钛合金棒材在750℃～800℃的条件下保温30min～60min进行固溶处理，再随炉冷却至500℃～600℃保温2h～8h进行时效处理，然后空冷至室温，得到亚稳定β型钛合金棒材。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤一中所述0级海绵钛的平均粒度不大于13.0mm，所述铬片的平均粒度不大于2mm。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤一中所述钼粉和铬片的质量纯度均不低于99.9％。
8.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三中所述径向锻造的过程中采用红外线测温仪监测锻件表面温度，确保径向锻造温度的变化范围在-10℃～10℃内。
9.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三中所述半成品钛合金棒材的横截面为圆形，所述横截面的直径为85mm～90mm。
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