CN106947885A - 一种新型中强高塑性船用钛合金及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型中强高塑性船用钛合金，所述钛合金以海绵钛、铝钼、铝钒中间合金、纯金属为原料制备，其构成组分及其重量百分数分别为：Ti 90.25％-93.0％、Al 2.5％～3.0％、Mo 2.0％～2.75％、Zr 2.0％～3.0％、V 0.5％～1.0％。本发明方法中，通过在合理设计合金成分，通过控制合金成分配比，达到合金加工性能的优化，利于提高产品成品率，合金的耐腐蚀性能较Ti75、Ti31合金有明显提高，且本发明制备工艺简单可行，产品质量优良，合格率高，适于大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于钛合金材料制备技术领域，具体涉及一种新型中强高塑性船用钛合金及其制备工艺。
背景技术
我国已初步建立了船用钛合金的体系。创新研制了不同强度级别的船用合金，也制备出不同规格的管、板、棒、丝材等，已基本能够满足我国工程的需求。中强钛合金由于其强度与塑性的综合性能匹配最适于海洋服役环境应用，因此受到我国船舶行业的重视。目前我国应用最广泛的中强高塑钛合金有TA24(Ti75)合金和TA22(Ti31)合金。Ti75合金是630MPa级的中强高韧性耐蚀钛合金，适用于制造形状复杂的板材冲压并焊接的零部件，在动力装置结构、船舶焊接结构件中获得广泛应用。Ti31合金具有中强高塑、可焊和良好冷加工性能，可以用作声纳导流罩，但目前仍处于研究阶段。虽然现阶段Ti75合金已经得到广泛应用，但生产过程中由于强度、塑性不足的情况，容易导致管材等成形困难，容易开裂等加工问题，因此需要更高的强度和塑性匹配的船用钛合金，以期获得更好地加工性能及使用性能。通过优化合金元素配比一直以来都是优化合金性能的重要手段，在新材料研发过程中取得的成果显著。
发明内容
本发明的目的是提供一种强度与塑性匹配良好的新型中强高塑性船用钛合金，以改变实际生产中船用中强钛合金加工困难、使用性能难以符合实际需求的现状。通过合理设计合金成分，优化合金性能，在保证合金强度的同时提高合金塑性，达到更优的强塑性匹配。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型中强高塑性船用钛合金，所述钛合金以海绵钛、铝钼、铝钒中 间合金、纯金属为原料制备，其构成组分及其重量百分数分别为：Ti90.25％～93.0％、Al 2.5％～3.0％、Mo 2.0％～2.75％、Zr 2.0％～3.0％、V 0.5％～1.0％。
本发明还提出了一种新型中强高塑性船用钛合金的制备工艺，包括以下步骤：
S1、将海绵钛与合金元素混合均匀后压制自耗电极，再进行3-5次真空自耗电弧熔炼制成规格为Φ150mm的100kg的钛合金铸锭；将铸锭进行3火次开坯锻造，第一次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造的始锻温度为1050℃，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造的始锻温度为980℃，锻造比为8.4，锻后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对钛合金铸锭进行表面修磨处理；
S2、将步骤S1中所述初级锻坯在920℃的始锻温度下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6，得到中间锻坯；每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理；
S3、将步骤S2中的中间锻坯在始锻温度为β相变点以上70℃的条件下进行2火次的成形锻造，第一火次进行2镦2拔锻造后，空冷，修伤，锻造比为6，第二火次进行1镦2拔，水冷，锻造比为4.6，得到最终的钛合金锻件；
S4、将步骤S3中得到的钛合金锻件进行相变点以上20℃的固溶处理及时效处理，机械加工后得到规格为Φ100×1800mm的钛合金棒材。
本发明的技术效果和优点：(1)本发明方法中，通过在合理设计合金成分，使合金的室温抗拉强度高于750MPa，合金具有高的塑性匹配，塑性高于20％，合金的σb≥750MPa，σs≥630MPa，δ≥20％，60℃、3.5％NaCl溶液中的腐蚀速度≤0.5×10-4mm/a，断裂韧度KIC高于95MPa·m1/2。
(2)通过控制合金成分配比，达到合金加工性能的优化，利于提高产品成品率。
(3)合金的耐腐蚀性能较Ti75、Ti31合金有明显提高。
(4)本发明制备工艺简单可行，产品质量优良，合格率高，适于大规模工业化生产。
具体实施方式
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种新型中强高塑性船用钛合金，所述钛合金以海绵钛、铝钼、铝钒中间合金、纯金属为原料制备，其构成组分及其重量百分数分别为：Ti 91.95％、Al 2.8％、Mo 2.5％、Zr 2.25％、V 0.5％。
一种新型中强高塑性船用钛合金的制备工艺，包括以下步骤：
S1、将海绵钛与合金元素混合均匀后压制自耗电极，再进行3次真空自耗电弧熔炼制成规格为Φ150mm的100kg的钛合金铸锭；将铸锭进行3火次开坯锻造，第一次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造的始锻温度为1050℃，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造的始锻温度为980℃，锻造比为8.4，锻后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对钛合金铸锭进行表面修磨处理；
S2、将步骤S1中所述初级锻坯在920℃的始锻温度下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6，得到中间锻坯；每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理；
S3、将步骤S2中的中间锻坯在始锻温度为β相变点以上70℃的条件下进行2火次的成形锻造，第一火次进行2镦2拔锻造后，空冷，修伤，锻造比为6，第二火次进行1镦2拔，水冷，锻造比为4.6，得到最终的钛合金锻料；
S4、将步骤S3中得到的钛合金锻件进行相变点以上20℃的固溶处理及时 效处理，机械加工后得到规格为Φ100×1800mm的钛合金棒材。
本实施例制备的Ti75A钛合金棒材常规热处理后的室温力学性能及在60℃、3.5％NaCl溶液中的腐蚀速度见表1，由表1可知本实施例制备的Ti75A钛合金大规格棒材的塑韧性优异，且具有良好的耐腐蚀性能。
实施例2
一种新型中强高塑性船用钛合金，所述钛合金以海绵钛、铝钼、铝钒中间合金、纯金属为原料制备，其构成组分及其重量百分数分别为：Ti 91.5％、Al 3.0％、Mo 2.25％、Zr 2.5％、V 0.75％。
一种新型中强高塑性船用钛合金的制备工艺，包括以下步骤：
S1、将海绵钛与合金元素混合均匀后压制自耗电极，再进行4次真空自耗电弧熔炼制成规格为Φ150mm的100kg的钛合金铸锭；将铸锭进行3火次开坯锻造，第一次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造的始锻温度为1050℃，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造的始锻温度为980℃，锻造比为8.4，锻后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对钛合金铸锭进行表面修磨处理；
S2、将步骤S1中所述初级锻坯在920℃的始锻温度下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6，得到中间锻坯；每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理；
S3、将步骤S2中的中间锻坯在始锻温度为β相变点以上70℃的条件下进行2火次的成形锻造，第一火次进行2镦2拔锻造后，空冷，修伤，锻造比为6，第二火次进行1镦2拔，水冷，锻造比为4.6，得到最终的钛合金锻料；
S4、将步骤S3中得到的钛合金锻件进行相变点以上20℃的固溶处理及时效处理，机械加工后得到规格为Φ100×1800mm的钛合金棒材。
本实施例制备的Ti75B钛合金棒材常规热处理后的室温力学性能及在60℃、3.5％NaCl溶液中的腐蚀速度见表1，由表1可知本实施例制备的Ti75B 钛合金大规格棒材的塑韧性优异，且具有良好的耐腐蚀性能。
实施例3
一种新型中强高塑性船用钛合金，所述钛合金以海绵钛、铝钼、铝钒中间合金、纯金属为原料制备，其构成组分及其重量百分数分别为：Ti 91.6％、Al 3.0％、Mo 2.25％、Zr 2.25％、V 0.9％。
一种新型中强高塑性船用钛合金的制备工艺，包括以下步骤：
S1、将海绵钛与合金元素混合均匀后压制自耗电极，再进行4次真空自耗电弧熔炼制成规格为Φ150mm的100kg的钛合金铸锭；将铸锭进行3火次开坯锻造，第一次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造的始锻温度为1050℃，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造的始锻温度为980℃，锻造比为8.4，锻后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对钛合金铸锭进行表面修磨处理；
S2、将步骤S1中所述初级锻坯在920℃的始锻温度下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6，得到中间锻坯；每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理；
S3、将步骤S2中的中间锻坯在始锻温度为β相变点以上70℃的条件下进行2火次的成形锻造，第一火次进行2镦2拔锻造后，空冷，修伤，锻造比为6，第二火次进行1镦2拔，水冷，锻造比为4.6，得到最终的钛合金锻料；
S4、将步骤S3中得到的钛合金锻件进行相变点以上20℃的固溶处理及时效处理，机械加工后得到规格为Φ100×1800mm的钛合金棒材。
本实施例制备的Ti75C钛合金棒材常规热处理后的室温力学性能及在60℃、3.5％NaCl溶液中的腐蚀速度见表1，由表1可知本实施例制备的Ti75C钛合金大规格棒材的塑韧性优异，且具有良好的耐腐蚀性能。
实施例4
一种新型中强高塑性船用钛合金，所述钛合金以海绵钛、铝钼、铝钒中 间合金、纯金属为原料制备，其构成组分及其重量百分数分别为：Ti 91.5％、Al 3.0％、Mo 2.25％、Zr 2.75％、V 0.5％。
一种新型中强高塑性船用钛合金的制备工艺，包括以下步骤：
S1、将海绵钛与合金元素混合均匀后压制自耗电极，再进行5次真空自耗电弧熔炼制成规格为Φ150mm的100kg的钛合金铸锭；将铸锭进行3火次开坯锻造，第一次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造的始锻温度为1050℃，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造的始锻温度为980℃，锻造比为8.4，锻后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对钛合金铸锭进行表面修磨处理；
S2、将步骤S1中所述初级锻坯在920℃的始锻温度下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6，得到中间锻坯；每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理；
S3、将步骤S2中的中间锻坯在始锻温度为β相变点以上70℃的条件下进行2火次的成形锻造，第一火次进行2镦2拔锻造后，空冷，修伤，锻造比为6，第二火次进行1镦2拔，水冷，锻造比为4.6，得到最终的钛合金锻料；
S4、将步骤S3中得到的钛合金锻件进行相变点以上20℃的固溶处理及时效处理，机械加工后得到规格为Φ100×1800mm的钛合金棒材。
本实施例制备的Ti75D钛合金棒材常规热处理后的室温力学性能及在60℃、3.5％NaCl溶液中的腐蚀速度见表1，由表1可知本实施例制备的Ti75D钛合金大规格棒材的塑韧性优异，且具有良好的耐腐蚀性能。
实施例5
一种新型中强高塑性船用钛合金，所述钛合金以海绵钛、铝钼、铝钒中间合金、纯金属为原料制备，其构成组分及其重量百分数分别为：Ti 91.1％、Al 3.0％、Mo 2.25％、Zr 2.75％、V 0.9％。
一种新型中强高塑性船用钛合金的制备工艺，包括以下步骤：
S1、将海绵钛与合金元素混合均匀后压制自耗电极，再进行5次真空自耗电弧熔炼制成规格为Φ150mm的100kg的钛合金铸锭；将铸锭进行3火次开坯锻造，第一次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造的始锻温度为1050℃，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造的始锻温度为980℃，锻造比为8.4，锻后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对钛合金铸锭进行表面修磨处理；
S2、将步骤S1中所述初级锻坯在920℃的始锻温度下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6，得到中间锻坯；每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理；
S3、将步骤S2中的中间锻坯在始锻温度为β相变点以上70℃的条件下进行2火次的成形锻造，第一火次进行2镦2拔锻造后，空冷，修伤，锻造比为6，第二火次进行1镦2拔，水冷，锻造比为4.6，得到最终的钛合金锻料；
S4、将步骤S3中得到的钛合金锻件进行相变点以上20℃的固溶处理及时效处理，机械加工后得到规格为Φ100×1800mm的钛合金棒材。
本实施例制备的Ti75E钛合金棒材常规热处理后的室温力学性能及在60℃、3.5％NaCl溶液中的腐蚀速度见表1，由表1可知本实施例制备的Ti75E钛合金大规格棒材的塑韧性优异，且具有良好的耐腐蚀性能。
不同实施例制备的钛合金棒材的腐蚀速度表：
表1本发明实施例1至5制备的钛合金的力学性能数据
由表1可知，本发明制备的钛合金具有优良的力学性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种新型中强高塑性船用钛合金，其特征在于，所述钛合金以海绵钛、铝钼、铝钒中间合金、纯金属为原料制备，其构成组分及其重量百分数分别为：Ti 90.25％～93.0％、Al 2.5％～3.0％、Mo 2.0％～2.75％、Zr 2.0％～3.0％、V0.5％～1.0％。
2.一种权利要求1所述的新型中强高塑性船用钛合金的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将海绵钛与合金元素混合均匀后压制自耗电极，再进行3-5次真空自耗电弧熔炼制成规格为Φ150mm的100kg的钛合金铸锭；将铸锭进行3火次开坯锻造，第一次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造的始锻温度为1050℃，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造的始锻温度为980℃，锻造比为8.4，锻后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对钛合金铸锭进行表面修磨处理；
S2、将步骤S1中所述初级锻坯在920℃的始锻温度下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6，得到中间锻坯；每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理；
S3、将步骤S2中的中间锻坯在始锻温度为β相变点以上70℃的条件下进行2火次的成形锻造，第一火次进行2镦2拔锻造后，空冷，修伤，锻造比为6，第二火次进行1镦2拔，水冷，锻造比为4.6，得到最终的钛合金锻件；
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