CN108277385A

CN108277385A - 一种钛合金板材以及加工方法

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Publication number: CN108277385A
Application number: CN201810185494.3A
Authority: CN
Inventors: 郝斌
Original assignee: Beijing Ddt Weiye Aeronautical Cci Capital Ltd
Current assignee: Beijing Ddt Weiye Aeronautical Cci Capital Ltd
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2018-07-13

Abstract

本发明涉及钛合金制备技术领域，尤其是涉及一种钛合金板材以及加工方法。该钛合金板材的材料由以下重量百分含量的成分组成：5.5％～7.5％Al，0.5％～2％Cr，0.8％～2.8％Fe，0.5％～1.5％Mo，0.8％～2％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。本发明提供的钛合金板材具有良好的综合性能，通过选择廉价且相对容易获得的原料，节约了制造成本，通过对铸锭进行致密化处理，以及通过轧制和热处理工艺条件的控制，获得不同强韧级别的钛合金。

Description

一种钛合金板材以及加工方法

技术领域

本发明涉及钛合金制备技术领域，尤其是涉及一种钛合金板材以及加工方法。

背景技术

目前，我国于1956年初开始钛和钛合金研究；60年代中期开始钛材的工业化出产并研制成TB2合金。钛合金主要用于制造飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的构造件。60年代中期，钛及钛合金已在通常工业中使用，用于制造电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染操控设备等。钛及其合金已成为一种耐蚀构造材料。此外还用于出产贮氢材料和形状回忆合金等。因而，钛及钛氧化物、钛合金商品是主要的涂料、新式构造材料、防腐材料，被誉为“继铁、铝之后处于发展中第三金属”和“战略金属”，也是“很有期望的金属材料”，在航空、航天、舰船、军工、冶金、化工、机械、电力、海水淡化、交通运输、轻工、环境保护、医疗器械等范畴，有着广泛的使用，并发明了无穷的经济效益和社会效益，在国民经济发展中有其重要的地位。

钛和钛基合金用于多种应用中，原因在于这些材料具有相对高的强度、低密度和良好的耐蚀性。例如，钛和钛基合金因为这种材料的高强度、重量比和耐蚀性而广泛地用于航天工业中。但是，现有技术中，由于钛基合金的综合力学能力不够理想，无法很好地满足工业的需求，而且同时钛合金的制造成本较高，缺少简单易行的方法。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金板材以及加工方法，以解决现有技术中存在的钛合金综合力学能力不够理想，制造成本高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种钛合金板材，由以下重量百分含量的成分组成：5.5％～7.5％Al，0.5％～2％Cr，0.8％～2.8％Fe，0.5％～1.5％Mo，0.8％～2％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

作为一种进一步的技术方案，该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：5.5％Al，0.5％Cr，0.8％Fe，0.5％Mo，0.8％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

作为一种进一步的技术方案，该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：6.0％Al，1.0％Cr，1.0％Fe，1.0％Mo，1.2％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

作为一种进一步的技术方案，该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：6.5％Al，2.0％Cr，2.0％Fe，1.5％Mo，2.0％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

作为一种进一步的技术方案，该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：7.0％Al，1.0％Cr，2.5％Fe，1.0％Mo，1.5％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

作为一种进一步的技术方案，该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：7.5％Al，0.5％Cr，0.8％Fe，0.5％Mo，1.0％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

作为一种进一步的技术方案，所述不可避免的杂质的重量百分含量小于0.6％。

第二方面，本发明还提供一种根据所述的钛合金板材的加工方法，其包括如下步骤：

S1、选用铝钼中间合金、铝豆、钛锡中间合金、铬单质、钛铁中间合金以及海绵钛作为原料，将上述原料混合均匀后压制得到电极，电极经真空自耗电弧熔炉制成合金铸锭；

S2、合金铸锭经过表面扒皮并切去冒口后锻造制成锻坯，包括；开坯锻造和二火锻造，开坯锻造温度为800℃～900℃，开坯锻造变形量为8～10％，二火锻造温度为900℃～1000℃，总变形量为50％～80％；

S3、锻坯进行去应力与α相调质热处理，保温后冷却至室温；

S4、去除锻坯表面氧化皮；

S5、轧制处理：热轧温度800℃～900℃，首道次变形量控制在1～5％，总变形量15％～40％。

作为一种进一步的技术方案，该钛合金板材的加工方法包括：在步骤S5中，轧制处理时进行换向轧制以得到钛合金板材。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种钛合金板材，添加α稳定元素Al 5.5％～7.5％，以提高合金的室温及高温强度，降低合金的重量，提高合金的弹性模量；添加共析型β稳定元素Cr 0.5％～2％，以提高合金的硬度；添加Fe 0.8％～2.8％，下降合金的相变点温度；添加同晶型β稳定元素Mo 0.5％～1.5％，不但具有固溶强化的作用，而且有效韧化合金。添加中性元素Sn0.8％～2％，起到固溶强化的作用；从而使得该钛合金板材具有良好的综合性能。而且，本发明提供的加工方法选择廉价且相对容易获得的原料，节约了制造成本，通过对铸锭进行致密化处理，以及通过轧制和热处理工艺条件的控制，获得不同强韧级别的钛合金。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例钛合金板材采用不同配方的对照图表；

图2为本发明实施例钛合金板材各个配方的力学测试结果对照图表；

图3为本发明实施例钛合金板材未换向轧制和换向轧制力学性能对比图表。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

本实施例提供一种钛合金板材，由以下重量百分含量的成分组成：5.5％～7.5％Al，0.5％～2％Cr，0.8％～2.8％Fe，0.5％～1.5％Mo，0.8％～2％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

本实施例中添加α稳定元素Al 5.5％～7.5％，以提高合金的室温及高温强度，降低合金的重量，提高合金的弹性模量。其中，当Al的重量百分含量低于5.5％时，不能保证在宽的温度区域得到超塑性能，当Al的重量百分含量高于7.5％时，会使Ti₃Al析出，加工性变差。而且，可以理解的是，Al的重量百分含量可以0.1％为单位进行范围变化，即，Al的重量百分含量可以为5.5％、5.6％、5.7％……7.4％、7.5％。

本实施例中添加共析型β稳定元素Cr 0.5％～2％，以提高合金的硬度。其中，当Cr的重量百分含量低于0.5％时，得不到固溶强化的作用，而当Cr的重量百分含量高于2％时，会造成金属互化物的过剩的析出而导致脆化。可以理解的是，Cr的重量百分含量可以0.1％为单位进行范围变化，即，Cr的重量百分含量可以为0.5％、0.6％、0.7％……1.9％、2.0％。

本实施例中添加Fe 0.8％～2.8％，下降合金的相变点温度，其中，当Fe重量百分含量低于0.8％时，得不到固溶强化的作用，而当Fe的重量百分含量高于2.8％时，也会有的Fe的偏析产生。可以理解的是，Fe的重量百分含量可以0.1％为单位进行范围变化，即，Fe的重量百分含量可以为0.8％、0.9％、1.0％……2.7％、2.8％。

本实施例中添加同晶型β稳定元素Mo 0.5％～1.5％，不但具有固溶强化的作用，而且有效韧化合金；同理，当Mo重量百分含量低于0.5％时，得不到固溶强化的作用，而当Mo作为原料很昂贵，为了控制制造成本，其重量百分含量控制在1.5％以下。可以理解的是，Mo的重量百分含量可以0.1％为单位进行范围变化，即，Mo的重量百分含量可以为0.5％、0.6％、0.7％……1.4％、1.5％。

本实施例中添加中性元素Sn 0.8％～2％，起到固溶强化的作用，当Sn重量百分含量低于0.8％时，不利于钛合金的强化，当Sn重量百分含量高于2％，凝固时容易形成低熔点区域，可能会形成裂纹。

结合图1至图2所示，以如下几个具体实施例进行说明。

例1：该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：5.5％Al，0.5％Cr，0.8％Fe，0.5％Mo，0.8％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。该钛合金板材的抗拉强度R_m(MPa)、屈服强度R_p0.2(MPa)、伸长率(％)分别为：903MPa、802MPa和11％。

例2：该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：6.0％Al，1.0％Cr，1.0％Fe，1.0％Mo，1.2％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。该钛合金板材的抗拉强度R_m(MPa)、屈服强度R_p0.2(MPa)、伸长率(％)分别为：956MPa、857MPa和9％。

例3：该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：6.5％Al，2.0％Cr，2.0％Fe，1.5％Mo，2.0％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。该钛合金板材的抗拉强度R_m(MPa)、屈服强度R_p0.2(MPa)、伸长率(％)分别为：1112MPa、1043MPa和10.5％。

例4：该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：7.0％Al，1.0％Cr，2.5％Fe，1.0％Mo，1.5％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。该钛合金板材的抗拉强度R_m(MPa)、屈服强度R_p0.2(MPa)、伸长率(％)分别为：998MPa、966MPa和10％。

例5：该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：7.5％Al，0.5％Cr，0.8％Fe，0.5％Mo，1.0％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。该钛合金板材的抗拉强度R_m(MPa)、屈服强度R_p0.2(MPa)、伸长率(％)分别为：1082MPa、1003MPa和12.5％。

其中，优选的，作为一种进一步的技术方案，所述不可避免的杂质的重量百分含量小于0.6％。

值得说明的是，在本实施例中，该不可避免的杂质包括不可避免的非金属元素O、N、C、H。其中，从延展性的角度出发，O的重量百分含量控制在0.25％以下，H的重量百分含量控制在0.05％以下，C的重量百分含量控制在0.1％以下，N的重量百分含量控制在0.1％以下。具体的，该不可避免的杂具体就可以包括但不限于铌、铼、钇、铈，其重量百分含量可以为不高于0.15％。

而且，在本实施例中，在上述材料的基础之上，还可以进行改进和变形，举例说明。该钛合金板材，由以下重量百分含量的成分组成：5.5％～7.5％Al，0.5％～2％Cr，0.8％～2.8％Fe，0.5％～1.5％Mo，0.8％～2％Sn，0.5％～2％V，0.5％～2％Ta,0.5％～2％Co，余量为Ti以及不可避免的杂质。优选的，上述材料中，V、Fe、Mo、Cr所含有的量，在设所含有的V的重量％为X_v，所含有的Fe的重量％为X_Fe，所含有的Mo的重量％为X_Mo，所含有的Cr的重量％为X_Cr时的由X_v+2.9X_Fe+1.5X_Mo+1.6X_Cr表示的值为17～20％，从而能够达到更好的强度。

综上，本发明提供一种钛合金板材，添加α稳定元素Al 5.5％～7.5％，以提高合金的室温及高温强度，降低合金的重量，提高合金的弹性模量；添加共析型β稳定元素Cr0.5％～2％，以提高合金的硬度；添加Fe 0.8％～2.8％，下降合金的相变点温度；添加同晶型β稳定元素Mo 0.5％～1.5％，不但具有固溶强化的作用，而且有效韧化合金。添加中性元素Sn 0.8％～2％，起到固溶强化的作用；从而使得该钛合金板材具有良好的综合性能。

实施例二

结合图1至图3所示，本实施例还提供一种根据实施例一所述的钛合金板材的加工方法，其包括如下步骤：

S1、选用铝钼中间合金、铝豆、钛锡中间合金、铬单质、钛铁中间合金以及海绵钛作为原料，将上述原料混合均匀后压制得到电极，电极经真空自耗电弧熔炉制成合金铸锭。具体的，例如：熔炼温度可以控制在1200℃-1500℃，精炼时间可以控制在20min-40min。而且，各个原料还可以经过包制合金包、电极压制、等离子组焊，最后经三次真空自耗炉熔炼。优选的，熔炼过程中，为得到理想的合金成分，根据各真空自耗炉的不同，Al多加0.1％～0.15％，Sn多加0.15％～0.2％，在压制电极块时，头尾的料各元素多加0.01％～0.05％，保证铸锭成分的均匀性。

S2、合金铸锭经过表面扒皮并切去冒口后锻造制成锻坯，包括；开坯锻造和二火锻造，开坯锻造温度为800℃～900℃，开坯锻造变形量为8～10％，二火锻造温度为900℃～1000℃，总变形量为50％～80％；具体的，例如：开坯锻造和二火锻造均可为两墩两拔锻造。现阶段锻造火次为3-4火次锻造，该方法将锻造火次减少为两火次锻造，并且减少一火次锻造的变形量，同时加大二火次锻造的变形量。

S3、锻坯进行去应力与α相调质热处理，保温后冷却至室温；具体的，例如：热处理的温度460℃～620℃，保温1～2小时，保温后冷却至室温。

S4、去除锻坯表面氧化皮；可以采用3～5mm钢球进行喷丸处理除去板材表面氧化皮，并进行酸洗，体积比配方为HF:HNO₃:H₂O＝6:10:84，HF和HNO₃的纯度为工业纯，酸洗温度为55℃。

下面，以其中一种组分的钛合金板材进行说明未换向轧制和换向轧制力学性能对比。该钛合金板材由以下重量百分含量的成分组成：6.5％Al，2.0％Cr，2.0％Fe，1.5％Mo，2.0％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。该钛合金板材的抗拉强度R_m(MPa)、屈服强度R_p0.2(MPa)、伸长率(％)分别为：1112MPa、1043MPa和10.5％。

该组分的钛合金板材未换向轧制时，其抗拉强度R_m(MPa)、屈服强度R_p0.2(MPa)、伸长率(％)分别为：1112MPa、1043MPa和10.5％。

该组分的钛合金板材换向轧制时，其抗拉强度R_m(MPa)、屈服强度R_p0.2(MPa)、伸长率(％)分别为：1106MPa、1057MPa和13％。

可见，进行换向轧制改善板材的加工织构，提高板材组织的均匀性及塑性。

综上，本发明提供的加工方法选择廉价且相对容易获得的原料，节约了制造成本，通过对铸锭进行致密化处理，以及通过轧制和热处理工艺条件的控制，获得不同强韧级别的钛合金。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种钛合金板材，其特征在于，由以下重量百分含量的成分组成：5.5％～7.5％Al，0.5％～2％Cr，0.8％～2.8％Fe，0.5％～1.5％Mo，0.8％～2％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，由以下重量百分含量的成分组成：5.5％Al，0.5％Cr，0.8％Fe，0.5％Mo，0.8％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，由以下重量百分含量的成分组成：6.0％Al，1.0％Cr，1.0％Fe，1.0％Mo，1.2％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，由以下重量百分含量的成分组成：6.5％Al，2.0％Cr，2.0％Fe，1.5％Mo，2.0％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，由以下重量百分含量的成分组成：7.0％Al，1.0％Cr，2.5％Fe，1.0％Mo，1.5％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

6.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，由以下重量百分含量的成分组成：7.5％Al，0.5％Cr，0.8％Fe，0.5％Mo，1.0％Sn，余量为Ti以及不可避免的杂质。

7.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，所述不可避免的杂质的重量百分含量小于0.6％。

8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的钛合金板材的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S3、锻坯进行去应力与α相调质热处理，保温后冷却至室温；

S4、去除锻坯表面氧化皮；

9.根据权利要求8所述的钛合金板材的加工方法，其特征在于，包括：在步骤S5中，轧制处理时进行换向轧制以得到钛合金板材。