CN101935776B - 一种β钛合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种β钛合金材料，质量百分比组成为Ti：83.0～88.0％、Cr：8.0～13.0％、Fe：0.5～1.5％、Al：2.0～4.0％，以及其他微量的杂质。制备方法将原料按β钛合金材料要求的质量百分比配制经均匀混合后在真空感应炉真空度0-5Pa、熔炼功率200KW下熔炼，炼后铸锭经线切割去除缩孔部分，然后在β相变温度以上1000℃以下进行锻造。本发明的钛合金具有很低的成本、较高的强度、延伸率、冲击韧性；进行固溶处理后，全部为亚稳定的β相组织，合金具有优异的冷热加工性能，冷加工率可达87.2％。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金材料技术，特别是一种β钛合金材料及其制备方法。
背景技术
钛合金体系中，β钛合金具有最高的比强度和良好的冷加工性能。β钛合金最早以航空军工应用为目的，而目前工业β钛合金越来越广泛应用于民用领域，如化工、医疗、体育器材等。在已有的β钛合金中都需要大量添加昂贵的β稳定元素如V、Mo、Nb、Ta等，例如，Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Sn、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-15Mo-5Zr-3Al、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr等。
例如：Ti1023(Ti-10V-2Fe-3Al)合金，是美国Timet公司于1971年研制成功的，是迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金，国内牌号TB6，见国标GB/T 3620.1-2007。合金经热处理后其抗拉强度为965～1310MPa，KIC为99～33MPa·m1/2。该材料虽然属于高强度β钛合金，但该材料V元素价格昂贵，且含量很高，使该合金的成本非常高，大大限制了β钛合金的应用，现主要应用于航空航天领域，如已应用于波音777客机起落架主梁，欧洲空客公司制造的载客量达500人以上的世界最大的客机A380的主起落架支柱。
β钛合金合金的成本非常高，大大限制了β钛合金的应用。Timetal62S(Ti-6Al-2Fe-0.1Si)是针对Ti-6Al-4V而设计的低成本合金，用Fe完全取代了V，性能却优于Ti-6Al-4V，合金中加入了少量的Si提高抗氧化和抗蠕变性能，其退火状态下的屈服强度达896～965MPa。该材料属于α+β低成本钛合金，但该材料冷加工变形率差，不适合于冷加工成型。
为了利用β钛合金优异的性能，使β钛合金得到广泛应用，需要发展少含或不含昂贵合金元素的β钛合金。日本的B.Gunawarman等人研究了Ti-4.3Fe-7.1Cr即TFC alloy合金和Ti-4.3Fe-7.1Cr-3.0Al即TFCA alloy合金，该合金中的β稳定元素使用廉价的Fe和Cr，合金在β相区淬火后全部为β相，具有很好的冷加工性能。Ti-4.3Fe-7.1Cr-3.0Al(TFCA alloy)冷轧的加工率可以达到90％，同时合金通过机械热处理可以具有很好的强韧性匹配。但该材料Fe有很大的偏析倾向，宏观偏析使宏观组织有较大的变化，从而大大增加了机械性能数据的分散性，宏观偏析经过热处理或塑性加工亦不能去除。且国内外诸如Ti-4.3Fe-7.1Cr等β钛合金材料在制备过程中，关于采用三镦三拔等细化晶粒的锻造工艺鲜见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种β钛合金材料及其制备方法，采用廉价的共析型β稳定元素Fe、Cr等代替昂贵的同晶型β稳定元素如Mo、V、Nb等，来降低β钛合金的原料成本使之与纯钛相当，而同时合金保持高强度且热、冷加工性能优异。
本发明进一步解决的技术问题是提供的β钛合金材料是以钛为基体加入廉价的Cr、Fe、Al合金元素，使β钛合金的原料成本降低到海绵钛的范围，同时合金又具有优异的加工性能，能制造出低成本、高强度的钛合金薄板，以进一步扩大钛合金的应用范围。
为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的一种β钛合金材料，其质量百分比组成为Ti：83.0～88.0％、Cr：8.0～13.0％、Fe：0.5～1.5％、Al：2.0～4.0％，以及其他痕量的杂质。
本发明的β钛合金材料，其更优选的质量百分比组成为Ti：86.0～87.5％、Cr：8.0～10.0％、Fe：1.0～1.5％、Al：3.0％。
本发明的钛合金材料可以以海绵Ti为基体加入纯Cr、纯Fe、纯Al，从而达到上述质量百分比构成。当然，也可以按照其他能够得到要求的质量比例的其他配料方法，例如，使用含有Ti-Cr-Fe-Al中部分或者全部成分的合金作为原料。
本发明的β钛合金材料制备方法是：将原料按β钛合金材料要求的质量百分比配制经均匀混合后在真空感应炉真空度0-5Pa、熔炼功率200KW下熔炼，炼后铸锭经线切割去除缩孔部分，然后在β相变温度以上1000℃以下进行锻造。
所述的制备方法，其具体锻造方法是：
(1)、第一火锻造：在β相变温度以上1000℃以下，将锭坯锻至长度与直径比约为1.5～2，然后经过换向三镦三拔，每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2；
(2)、第二火锻造：在β相变温度以上1000℃以下，将锻坯经换向三镦三拔，每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2，然后继续将锭坯锻至目标尺寸；
(3)、锻造完成后在β相变温度以上50℃进行固溶处理，固溶处理的时间根据以下公式确定：
t＝(2～3)D+(5～8)
式中D代表有效厚度的毫米值；t的单位是分钟；所述的有效厚度是指热处理工艺的常规有效厚度概念，板材可直接认为是板的厚度，不规则试样近似认为平均厚度；
(4)固溶后迅速室温下水淬，得到所需材料。
由于采用了如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：
1、本发明的Ti-10Cr-1Fe-3Al钛合金具有很低的成本、较高的强度、延伸率、冲击韧性。
2、本发明的Ti-10Cr-1Fe-3Al钛合金在进行固溶处理后，全部为亚稳定的β相组织，合金具有优异的冷热加工性能，冷加工率可达87.2％。这种β钛合金的力学性能指标为：
1)900℃固溶40min后合金性能：屈服强度≥883MPa，抗拉强度≥916MPa，延伸率≥9.0％，断面收缩率≥25.2％，冲击韧性≥16.9J/cm2。
2)具有优异的热、冷加工性能，可以制造高强钛合金薄板。
附图说明
图1和图2是一种Ti-10Cr-1Fe-3Al合金冷轧后照片。
图1是冷轧后板的中部，图2是端部。
如图1和图2所示，Ti-10Cr-1Fe-3Al合金900℃固溶处理后的5mm板坯进行冷轧，道次间不进行中间退火，经过37道次轧至0.64mm时仍未出现裂纹，此时加工率已达87.2％。TC4合金不经中间退火冷轧的加工率一般在20％左右，Ti-10Cr-1Fe-3Al合金的冷加工率已经远远超过TC4合金。
图3是Ti-10Cr-1Fe-3Al合金真应力与真应变曲线。
从图3可以看到Ti-10Cr-1Fe-3Al合金在压缩时应力近似稳定在1000MPa，呈稳态变形，且达到机器设定的0.5的应变时没有发生断裂。
具体实施方式
实施例1
用海绵Ti、纯Cr、纯Fe、纯Al、按重量百分比Ti：87.5％、Cr：8％、Fe：1.5％、Al：3.0％配制，经均匀混合后在真空感应炉真空度0-5Pa、熔炼功率200KW下熔炼。熔炼后的化学成分实测结果如表1所示：
表1铸锭化学成分
熔炼后铸锭经线切割去除缩孔部分，然后按照如下工艺进行锻造。
(1)第一火锻造：Φ110mm×50mm沿径向打成Φ70mm×L，然后经换向三镦三拔锻成Φ70mm×120mm。每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2。
始锻温度：1000℃，装炉温度：1000℃，加热时间：50min终锻温度：850℃
(2)第二火锻造：经换向三镦三拔锻成Φ32mm×550mm。每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2，然后继续将锭坯锻至目标尺寸。
始锻温度：950℃，装炉温度：950℃，加热时间：40min终锻温度：850℃
热处理工艺：
锻造后在900℃固溶40min出炉迅速水淬。
固溶处理后力学性能：屈服强度883MPa，抗拉强度916MPa，延伸率9.0％，断面收缩率25.2％，冲击韧性16.9J/cm2。
实施例2
用海绵Ti、纯Cr、纯Fe、纯Al、按重量百分比Ti：85.5％；Cr：10％；Fe：0.5％；Al：4％配制，经均匀混合后在真空感应炉真空度0-5Pa、熔炼功率200KW下熔炼。熔炼后的化学成分如表2所示：
表2铸锭化学成分
熔炼后铸锭经线切割去除缩孔部分，然后按照如下工艺进行锻造。
(1)第一火锻造：Φ110mm×50mm沿径向打成Φ70mm×L，然后经换向三镦三拔锻成Φ70mm×120mm。每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2。
始锻温度：1000℃，装炉温度：1000℃，加热时间：50min终锻温度：850℃
(2)第二火锻造：经换向三镦三拔锻成Φ32mm×550mm。每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2，然后继续将锭坯锻至目标尺寸。
始锻温度：950℃，装炉温度：950℃，加热时间：40min终锻温度：850℃
热处理工艺：
锻造后在900℃固溶40min出炉迅速水淬。
固溶处理后力学性能：屈服强度969MPa，抗拉强度981MPa，延伸率13.8％，断面收缩率38.7％，冲击韧性29.7J/cm2。
实施例3
用海绵Ti、纯Cr、纯Fe、纯Al、按重量百分比Ti：84％；Cr：13％；Fe：1％；Al：2％配制，经均匀混合后在真空感应炉真空度0-5Pa、熔炼功率200KW下熔炼。熔炼后的化学成分如表3所示：
表3铸锭化学成分
熔炼后铸锭经线切割去除缩孔部分，然后按照如下工艺进行锻造。
(1)第一火锻造：Φ110mm×50mm沿径向打成Φ70mm×L，然后经换向三镦三拔锻成Φ70mm×120mm。每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2。
始锻温度：1000℃，装炉温度：1000℃，加热时间：50min终锻温度：850℃
(2)第二火锻造：Φ70mm×120mm锭坯经换向三镦三拔锻成Φ31mm×550mm。每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2，然后继续将锭坯锻至目标尺寸。
始锻温度：950℃，装炉温度：950℃，加热时间：40min终锻温度：850℃
热处理工艺：
锻造后在900℃固溶40min出炉迅速水淬。
固溶处理后力学性能：屈服强度979MPa，抗拉强度988MPa，延伸率15.9％，断面收缩率43.1％，冲击韧性36.2J/cm2。
实施例4：
用海绵Ti、纯Cr、纯Fe、纯Al、按重量百分比Ti：86％；Cr：10％；Fe：1％；Al：3％配制，经均匀混合后在真空感应炉真空度0-5Pa、熔炼功率200KW下熔炼。熔炼后的化学成分如表4所示：
表4铸锭化学成分
熔炼后铸锭经线切割去除缩孔部分，然后按照如下工艺进行锻造。
(1)第一火锻造：Φ110mm×50mm沿径向打成Φ70mm×L，然后经换向三镦三拔锻成Φ70mm×120mm。每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2。
始锻温度：1000℃，装炉温度：1000℃，加热时间：50min终锻温度：850℃
(2)第二火锻造：Φ70mm×120mm将坯料经换向三镦三拔锻成Φ32mm×550mm。每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2，然后继续将锭坯锻至目标尺寸。
始锻温度：950℃，装炉温度：950℃，加热时间：40min终锻温度：850℃
热处理工艺：
锻造后在900℃固溶40min出炉迅速水淬。
固溶处理后力学性能：屈服强度957MPa，抗拉强度973MPa，延伸率11.8％，断面收缩率31.2％，冲击韧性18.3J/cm2。
900℃固溶处理后的Ti-10Cr-1Fe-3Al合金板坯进行冷轧，轧制道次间不做中间退火。板坯尺寸为5mm×100mm×100mm。
表5给出了Ti-10Cr-1Fe-3Al合金冷轧压下制度。
如表中所示，坯料经过37道次轧至0.64mm时仍未出现裂纹，此时加工率已达87.2％。从0.64mm轧至0.60mm后板料边缘局部出现小裂纹。轧后0.60mm板料如图1所示。
表5Ti-10Cr-1Fe-3Al合金冷轧压下制度
Claims (1)
1.一种β钛合金材料的制备方法，钛合金材料的质量百分比组成为Ti：83.0～88.0％、Cr：8.0～13.0％、Fe：0.5～1.5％、Al：2.0～4.0％，以及其他微量的杂质，其特征是：将原料按β钛合金材料要求的质量百分比配制经均匀混合后在真空感应炉真空度0-5Pa、熔炼功率200KW下熔炼，炼后铸锭经线切割去除缩孔部分，然后在β相变温度以上1000℃以下进行锻造；具体锻造方法为：
(1)、第一火锻造：在β相变温度以上1000℃以下，将锭坯锻至长度与直径比为1.5～2，然后经过换向三镦三拔，每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2；
(2)、第二火锻造：在β相变温度以上1000℃以下，将锻坯经换向三镦三拔，每一镦粗和拔长的锻造比为1.5～2，然后继续将锭坯锻至目标尺寸；
(3)、锻造完成后在β相变温度以上50℃进行固溶处理，固溶处理的时间根据以下公式确定：
t＝(2～3)D+(5～8)
式中D代表有效厚度的毫米值；t的单位是分钟；
(4)固溶后迅速室温下水淬，得到所需材料。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |