CN108411155A - 800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及船舶与海洋工程的钛合金丝材领域，具体的说是800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材及制备方法。钛合金丝材成分及其重量百分比为铝：6%‑7%、铌：3%‑4%、锆：2%‑3%以及钼：0.8%‑1.5%，余量为钛，其中的合金元素铝为钛合金丝材的α相稳定元素，合金元素钼和铌为钛合金丝材的β稳定相元素，合金元素锆为钛合金丝材的中性元素。该丝材能够满足电子束增材制造工艺需求，在船舶与海洋工程构件电子束熔丝增材制造方面具有良好的技术应用与市场前景。

Description

800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材及制备方法
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程的钛合金丝材领域，具体的说是800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材及制备方法。
背景技术
钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、无磁等优异的性能，特别是在海水和酸性烃类化合物中具有良好的耐蚀性，是船舶与海洋工程特别是含盐环境优选的材料，因此，钛合金被誉为“海洋金属”。
随着增材制造的快速发展，海洋工程构件及舰船装备的不断更新，为促进增强我国海洋事业和海军的发展，对钛合金大型复杂构件的快速增材制造技术提出了更大的需求，如大潜深耐压壳体、水面舰艇等对钛合金局部复杂构件的快速制造和在航修复等。海洋用800MPa级别的α型中强高韧钛合金能满足耐压、耐蚀等特殊使用工况，如深潜器等深海装备及船用耐压结构件。目前，国内沈阳金属所发明的中强高韧性电子束熔丝堆积快速成形构件用钛合金丝材是一种960MPa强度级的α+β型钛合金丝材，能够满足电子束熔丝堆积快速成型工艺及构件性能的需要。但国内尚没有针对海洋用800MPa级别的α型钛合金电子束增材构件的专用丝材，已有的结构件、焊材，不能满足增材制造尤其是电子束增材的需求。因此，针对该种合金，开发一种专用的满足电子束增材制造的专用钛合金丝材已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种800MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用中强高韧近α型船用钛合金丝材以及其制备方法，该丝材能够满足电子束增材制造工艺需求，在船舶与海洋工程构件电子束熔丝增材制造方面具有良好的技术应用与市场前景。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材，钛合金丝材成分及其重量百分比为铝：6%-7%、铌：3%-4%、锆：2%-3%以及钼：0.8%-1.5%，余量为钛，其中的合金元素铝为钛合金丝材的α相稳定元素，合金元素钼和铌为钛合金丝材的β稳定相元素，合金元素锆为钛合金丝材的中性元素。
优选的，所述钛合金丝材的[铝]当＞6%，[钼]当＜2.5，β相含量在10%以内，其中的[铝]当=%铝+%锆/6，[钼]当=%钼+%铌/3.3。
制备800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材的方法，包括以下步骤：
1）、合金成分配料：按照所述钛合金丝材成分及重量百分比配料制得混合物，其中的钼元素和铌元素以铝钼和铝铌中间合金的形式加入，锆元素以纯金属的形式加入，铝元素部分以纯金属的形式加入，部分以铝钼和铝铌中间合金的形式加入；
2）、铸锭熔炼：将步骤1）中制得的混合物采用真空自耗电弧熔炼技术制得铸锭，铸锭过程中的预熔真空度为10-2Pa以上，熔炼次数≥3次；
3）、开坯锻造或铸造：首先将步骤2）中制得的铸锭经车皮和去缩口后，再经加热并通过空气锤开坯或通过压机Tβ+150℃开坯，然后将开坯后的铸锭以α+β相区锻造，经多火次加工，最后在在空气锤、水压机或挤压机设备上加工成锻棒；
4）、丝材拉拔：采用焊丝拉拔机将步骤3）中制得的锻棒拉拔成丝材；
5）、热处理：将步骤4）中制得的丝材进行Tβ-150℃热处理退火制得所述钛合金丝材。
优选的，将步骤5）中制得的钛合金丝材进行检验，检验标准为：钛合金丝材不允许有∞字形，横向低倍组织上无缩尾、气孔、分层、金属或非金属夹杂，熔敷金属性：Rm≥840MPa，Rp0.2≥740MPa，A≥8%，kv2≥47J，KIC≥90MPAa•m1/2，KISCC≥75MPAa•m1/2。
有益效果
本发明中采用合金元素Al作为α相稳定元素，其主要作用是固溶强化；Mo、Nb元素为β相稳定元素，其作用是进一步提高钛合金强度，同时使合金组织具有一定的β相，改善合金的加工性能，Nb元素的加入，还可以提高钛合金的抗缝隙腐蚀性能；Zr元素为中性元素，主要作用增加合金原子间的结合力，提高合金的止裂性能，Zr元素还能提高材料的焊接性。
本发明的钛合金丝材能够满足电子束增材制造工艺需求，通过该钛合金丝材制造的增材制造构件强度和塑韧性能够实现较好的匹配，达到抗拉强度Rm≥840Mpa，屈服强度Rp0.2≥740MPa，延伸率A≥8%，冲击韧性kv2≥47J，断裂韧性KIC≥90MPa•m1/2，同时具有良好焊接性能和耐海水腐蚀性能，KISCC≥75MPa•m1/2，在船舶和海洋工程用中强高韧钛合金增材制造领域具有良好的技术应用与市场前景。
具体实施方式
本发明的800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材，钛合金丝材成分及其重量百分比为铝：6%-7%、铌：3%-4%、锆：2%-3%以及钼：0.8%-1.5%，余量为钛。
其中的合金元素铝为钛合金丝材的α相稳定元素，其主要作用是固溶强化。合金元素钼和铌为钛合金丝材的β稳定相元素，其作用是进一步提高钛合金强度，同时使合金组织具有一定的β相，改善合金的加工性能；Nb元素的加入，还可以提高钛合金的抗缝隙腐蚀性能。合金元素锆为钛合金丝材的中性元素，主要作用增加合金原子间的结合力，提高合金的止裂性能，Zr元素还能提高材料的焊接性。
在本发明的优选实施方案中，钛合金丝材的[铝]当＞6%，[钼]当＜2.5，β相含量在10%以内，其中的[铝]当=%铝+%锆/6，[钼]当=%钼+%铌/3.3。
制备800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材的方法，包括以下步骤：
1）、合金成分配料：按照钛合金丝材成分及重量百分比配料制得混合物，其中的钼元素和铌元素以铝钼和铝铌中间合金的形式加入，锆元素以纯金属的形式加入，铝元素部分以纯金属的形式加入，部分以铝钼和铝铌中间合金的形式加入；
2）、铸锭熔炼：将步骤1）中制得的混合物采用真空自耗电弧熔炼技术制得铸锭，铸锭过程中的预熔真空度为10-2Pa以上，熔炼次数≥3次；
3）、开坯锻造或铸造：首先将步骤2）中制得的铸锭经车皮和去缩口后，再经加热并通过空气锤开坯或通过压机Tβ+150℃开坯，然后将开坯后的铸锭以α+β相区锻造，经多火次加工，最后在在空气锤、水压机或挤压机设备上加工成锻棒；
4）、丝材拉拔：采用焊丝拉拔机将步骤3）中制得的锻棒拉拔成丝材；
5）、热处理：将步骤4）中制得的丝材进行Tβ-150℃热处理退火制得钛合金丝材。
6）、检测检验：将步骤5）中制得的钛合金丝材进行检验，检验标准为：钛合金丝材不允许有∞字形，横向低倍组织上无缩尾、气孔、分层、金属或非金属夹杂，熔敷金属性：Rm≥840MPa，Rp0.2≥740MPa，A≥8%，kv2≥47J，KIC≥90MPAa•m1/2，KISCC≥75MPAa•m1/2。
下面以8个实施例对本发明的钛合金丝材成分进行进一步的说明，8个实施例中各个成分及重量百分数如表一所示：
将以上8个实施例所制备的钛合金丝材分别制作增材样件，对8中增材样件检测性能如表二所示：
如表二所示，通过本发明所制备的钛合金丝材的各项性能能够克服现有技术中的不足，在船舶与海洋工程构件电子束熔丝增材制造方面具有良好的技术应用与市场前景。

Claims (4)

1.800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材，其特征在于：钛合金丝材成分及其重量百分比为铝：6%-7%、铌：3%-4%、锆：2%-3%以及钼：0.8%-1.5%，余量为钛，其中的合金元素铝为钛合金丝材的α相稳定元素，合金元素钼和铌为钛合金丝材的β稳定相元素，合金元素锆为钛合金丝材的中性元素。
2.根据权利要求1所述的800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材，其特征在于：所述钛合金丝材的[铝]当＞6%，[钼]当＜2.5，β相含量在10%以内，其中的[铝]当=%铝+%锆/6，[钼]当=%钼+%铌/3.3。
3.制备权利要求1所述的800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、合金成分配料：按照所述钛合金丝材成分及重量百分比配料制得混合物，其中的钼元素和铌元素以铝钼和铝铌中间合金的形式加入，锆元素以纯金属的形式加入，铝元素部分以纯金属的形式加入，部分以铝钼和铝铌中间合金的形式加入；
2）、铸锭熔炼：将步骤1）中制得的混合物采用真空自耗电弧熔炼技术制得铸锭，铸锭过程中的预熔真空度为10-2Pa以上，熔炼次数≥3次；
3）、开坯锻造或铸造：首先将步骤2）中制得的铸锭经车皮和去缩口后，再经加热并通过空气锤开坯或通过压机Tβ+150℃开坯，然后将开坯后的铸锭以α+β相区锻造，经多火次加工，最后在在空气锤、水压机或挤压机设备上加工成锻棒；
4）、丝材拉拔：采用焊丝拉拔机将步骤3）中制得的锻棒拉拔成丝材；
5）、热处理：将步骤4）中制得的丝材进行Tβ-150℃热处理退火制得所述钛合金丝材。
4.制备权利要求1所述的800MPa级别电子束增材专用钛合金丝材的方法，其特征在于：将步骤5）中制得的钛合金丝材进行检验，检验标准为：钛合金丝材不允许有∞字形，横向低倍组织上无缩尾、气孔、分层、金属或非金属夹杂，熔敷金属性：Rm≥840MPa，Rp0.2≥740MPa，A≥8%，kv2≥47J，KIC≥90MPAa•m1/2，KISCC≥75MPAa•m1/2。
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