CN101392338A - 复合强化的高强度高弹性模量钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种材料制备技术领域的复合强化的高强度高弹性模量钛合金及其制备方法，所述材料各组分及其质量百分比含量为：Al 5.1％～6.5％，V 3.3％～4.3％，B0.06％～0.91％，C 0.17％～1.27％，余量为钛。称取海绵钛、碳化硼、石墨、铝钒中间合金和纯铝原料，混合均匀，压制成电极，装入电弧炉中；熔炼获得含有增强相TiB和TiC的钛合金铸锭；在β相区对钛合金铸锭进行开坯锻造，随后在α+β两相区进行常规锻造，锻造完成后，除去钛合金表面的氧化皮及缩孔、偏析和夹杂缺陷，即得钛合金。本发明简单快捷、成本低，增强相分布更加均匀、界面结合更好、导热系数高、线膨胀系数低、综合力学性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种金属材料技术领域的钛合金及其制备方法，具体的说，涉及的是一种复合强化的高强度高弹性模量钛合金及其制备方法。
背景技术
随着航空航天事业的迅速发展，提高航空效率及降低飞行成本对飞行器用结构材料提出了更高的要求。为了适应这一发展趋势，高强度(室温抗拉强度大于1000MPa)、高弹性模量(弹性模量高于120GPa)及高韧性的钛合金，正成为当前高技术新材料领域倍受重视的新型结构材料。
减轻材料比重可以提高飞机的推重比，增加飞行距离和降低燃料费用。飞机结构件的一个主要减重方法就是采用比强度高、综合性能好的α+β型钛合金。相对于其他高强度工程材料，钛合金的弹性模量较低，使得按刚度设计的结构件比按强度设计的结构件厚大笨重。
超声波细胞破碎仪的探头采用传统的中强度钛合金Ti-6Al-4V，弹性模量较低，难以制作尺寸更小的探头，使用范围受到限制，同时由于其耐磨性不够好，导致探头磨损严重，影响破碎效果。同时，提高导热系数会有利于散热，将会延长探头的寿命。
航天卫星的天线支撑部件在太空中需要经受高低温交变的复杂环境，对尺寸稳定性要求高。因此，在较大的温度范围内保持低的线膨胀系数，才能为天线提供稳定可靠的支撑。
因此，如何进一步提高α+β型钛合金的综合性能，低成本制备出高强度高弹性模量的钛合金，一直是研究者关心的问题。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利(公开)号为CN1978681，专利名称为一种高强度高弹性模量的钛合金，该专利采用外加法加入钛硼中间合金TiB提高钛合金的模量，虽然获得了高强度高弹性模量的钛合金，但是其采用的钛合金的合金元素成本高；外加法加入增强相，工艺复杂，界面结合不良，且易发生偏聚；同时，该专利采用的是单一的TiB增强相，因此获得的钛合金性能单一，限制了其应用范围。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种复合强化的高强度高弹性模量钛合金及其制备方法，采用目前产量最高、应用范围最为广泛的低成本的传统钛合金Ti-6Al-4V，利用海绵钛(Ti)、碳化硼(B4C)和石墨(C)之间的反应生成TiB和TiC进行复合强化，快捷、低成本的制备出增强相分布更加均匀、界面结合更好、导热系数高、线膨胀系数低、综合力学性能优异的高强度高弹性模量钛合金。该方法适合大批量工业生产，能满足对低成本、高性能钛合金的迫切需求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的复合强化的高强度高弹性模量钛合金，包含的各组分元素的质量百分比含量为：Al 5.1％～6.5％，V 3.3％～4.3％，B 0.06％～0.91％，C 0.17％～1.27％，余量为钛。
所述V是以铝钒中间合金(AlV)的形式加入的，铝钒中间合金的V质量百分比含量为50％～60％。
所述B是以碳化硼(B4C)的形式加入的。
本发明所涉及的复合强化的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，包括如下具体步骤：
步骤一，按各组分元素的质量百分比含量称取海绵钛、碳化硼、石墨、铝钒中间合金和纯铝；
步骤二，将步骤一称取的原料混合均匀，压制成电极，装入真空自耗电弧炉或真空非自耗电弧炉中；
步骤三，熔炼两次到三次获得含有增强相TiB和TiC的钛合金铸锭；
所述增强相，由下列反应式生成：
5Ti+B4C→4TiB+TiC
Ti+C→TiC
所述增强相TiB和TiC，其摩尔比为1：20～4：1，其体积分数总和控制在4％～6％之间。
步骤四，在β相区对钛合金的铸锭进行开坯锻造，随后在α+β两相区进行常规锻造，锻造完成后，利用机加工设备除去钛合金表面的氧化皮及缩孔、偏析和夹杂缺陷，即得复合强化的高强度高弹性模量的钛合金。
所述开坯锻造，其变形量超过50％，其工作温度范围为1080℃～1200℃。
所述常规锻造，其变形量超过75％，其工作温度范围为980℃～1050℃。
与现有技术相比，本发明在不改变传统的钛合金的制备设备和工艺流程的情况下，简单快捷、低成本的制备出增强相分布更加均匀、界面结合更好、综合力学性能优异的高强度高弹性模量钛合金。TiB增强相显著提高了该钛合金的室温强度和室温弹性模量，室温屈服强度大于950MPa，室温抗拉强度大于1050MPa，室温弹性模量大于125GPa，较之Ti-6Al-4V分别提高了5％、10％和12％以上，同时塑性大于8％；TiC增强相显著提高了钛合金的耐磨性，较之Ti-6Al-4V提高了50％以上；室温下导热系数在8.2～9.0W/(m·K)之间，较之Ti-6Al-4V提高了26％～38％；线膨胀系数在7.1×10-6～10.9×10-6(-100℃～400℃)之间。本发明制备的复合强化的高强度高弹性模量钛合金成为航空用结构材料、超声波粉碎仪探头材料和卫星天线支撑部件的优选。
具体实施方式
本实施例在以本发明的技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
制备增强相体积分数为5％的复合强化的高强度高弹性模量钛合金(TiB:TiC＝1:1)。
按质量百分比称取一级海绵钛89.51％、碳化硼0.62％、石墨0.40％、铝钒中间合金6.89％(V含量为55％)和纯铝2.58％制备成分为Ti-5.7Al-3.8V-0.48B-0.54C的钛合金。
将原料混合均匀，压制成电极，装入真空自耗电弧炉或真空非自耗电弧炉中；熔炼两次到三次获得含有增强相TiB和TiC的钛合金铸锭；在β相区进行开坯锻造(1170℃)，变形量为50％，然后在α+β两相区(1020℃)进行常规锻造，变形量为75％，利用机加工设备除去材料表面的氧化皮及缩孔、偏析和夹杂等缺陷，即得复合强化的高强度高弹性模量钛合金。
本实施例所得合金增强相分布均匀，界面结合良好，综合性能优异。室温屈服强度为1090MPa，室温抗拉强度为1178MPa，室温弹性模量为127GPa，较之Ti-6Al-4V分别提高了21％、24％和15％，塑性为8％；耐磨性较之Ti-6Al-4V提高了85％；室温下导热系数为8.5W/(m·K)，较之Ti-6Al-4V提高了31％；线膨胀系数在8.0×10-6～10.2×10-6(-100℃～400℃)之间.
实施例2
制备增强相体积分数为4％的复合强化的高强度高弹性模量钛合金(TiB:TiC＝4:1)
按质量百分比称取一级海绵钛88.39％、碳化硼0.77％、石墨0％、铝钒中间合金7.19％(V含量为60％)和纯铝3.64％制备成分为Ti-6.5Al-4.3V-0.61B-0.17C的钛合金。
将原料混合均匀，压制成电极，装入真空自耗电弧炉或真空非自耗电弧炉中；熔炼两次到三次获得含有增强相TiB和TiC的钛合金铸锭；在β相区进行开坯锻造(1080℃)，变形量为60％，然后在α+β两相区(980℃)进行常规锻造，变形量为85％，利用机加工设备除去材料表面的氧化皮及缩孔、偏析和夹杂等缺陷，即得复合强化的高强度高弹性模量钛合金。
本实施例所得钛合金的综合性能与实施例1相近，室温屈服强度、室温抗拉强度和室温弹性模量稍差，塑性稍好，耐磨性稍差，室温下导热系数稍差，线膨胀系数(-100℃～400℃)稍差。
实施例3
制备增强相体积分数为6％的复合强化的高强度高弹性模量钛合金(TiB:TiC＝4:1)
按质量百分比称取一级海绵钛88.24％、碳化硼1.16％、石墨0％、铝钒中间合金8.44％(V含量为50％)和纯铝2.16％制备成分为Ti-6.4Al-4.2V-0.91B-0.25C的钛合金。
将原料混合均匀，压制成电极，装入真空自耗电弧炉或真空非自耗电弧炉中；熔炼两次到三次获得含有增强相TiB和TiC的钛合金铸锭；在β相区进行开坯锻造(1160℃)，变形量为50％，然后在α+β两相区(1010℃)进行常规锻造，变形量为80％，利用机加工设备除去材料表面的氧化皮及缩孔、偏析和夹杂等缺陷，即得复合强化的高强度高弹性模量钛合金。
本实施例所得钛合金的综合性能与实施例1相近，室温屈服强度、室温抗拉强度和室温弹性模量稍好，塑性稍差，耐磨性稍差；室温下导热系数稍好，线膨胀系数(-100℃～400℃)稍好。
实施例4
制备增强相体积分数为6％的复合强化的高强度高弹性模量钛合金(TiB:TiC＝1:20)
按质量百分比称取一级海绵钛90.27％、碳化硼0.07％、石墨1.26％、铝钒中间合金5.94％(V含量为55％)和纯铝2.46％制备成分为Ti-5.1Al-3.3V-0.06B-1.27C的钛合金。
将原料混合均匀，压制成电极，装入真空自耗电弧炉或真空非自耗电弧炉中；熔炼两次到三次获得含有增强相TiB和TiC的钛合金铸锭；在β相区进行开坯锻造(1200℃)，变形量为60％，然后在α+β两相区(1050℃)进行常规锻造，变形量为75％，利用机加工设备除去材料表面的氧化皮及缩孔、偏析和夹杂等缺陷，即得复合强化的高强度高弹性模量钛合金。
本实施例所得钛合金的综合性能与实施例1相近，室温屈服强度、室温抗拉强度和室温弹性模量稍差，塑性稍差，但是耐磨性好很多，室温下导热系数稍好；线膨胀系数(-100℃～400℃)稍好。
Claims (7)
1、一种复合强化的高强度高弹性模量钛合金，其特征在于，包含的各组分元素及其质量百分比含量为：Al 5.1％～6.5％，V 3.3％～4.3％，B 0.06％～0.91％，C 0.17％～1.27％，余量为钛。
2、根据权利要求1所述的复合强化的高强度高弹性模量钛合金，其特征是，所述V是以铝钒中间合金的形式加入的，铝钒中间合金的V质量百分比含量为50％～60％。
3、根据权利要求1所述的复合强化的高强度高弹性模量钛合金，其特征是，所述B是以碳化硼的形式加入的。
4、一种如权利要求1所述的复合强化的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，按各组分元素的质量百分比含量称取海绵钛、碳化硼、石墨、铝钒中间合金和纯铝；
步骤二，将步骤一称取的原料混合均匀，压制成电极，装入真空自耗电弧炉或真空非自耗电弧炉中；
步骤三，熔炼两次到三次获得含有增强相TiB和TiC的钛合金铸锭；
步骤四，在β相区对钛合金的铸锭进行开坯锻造，随后在α+β两相区进行常规锻造，锻造完成后，利用机加工设备除去钛合金表面的氧化皮及缩孔、偏析和夹杂缺陷，即得复合强化的高强度高弹性模量钛合金。
5、根据权利要求4所述的复合强化的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征是，所述的增强相TiB和TiC，其摩尔比为1：20～4：1，其体积分数总和控制在4％～6％之间。
6、根据权利要求4所述的复合强化的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征是，所述的开坯锻造，其变形量超过50％，工作温度范围为1080℃～1200℃。
7、根据权利要求4所述的复合强化的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征是，所述的常规锻造，其变形量超过75％，工作温度范围为980℃～1050℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090325 |