一种低成本、高性能钛合金制造技术

本发明专利技术涉及一种新型低成本、高性能钛合金，该钛合金适于适于生产棒丝材、板材、管件等多种类型的钛合金制品，可被广泛应用于航空、海洋等技术领域。该合金各组成元素的重量百分比为Al：3.5％～4.5％，V：2.0％～3.0％，Fe：0.5％～1.5％，Mo：0.5％～2.0％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。与广泛应用的Ti6Al4V合金相比，该合金特征如下：(1)原材料成本较低，并且热加工开裂倾向低，由铸锭至棒材等其它产品形式的成材率较高，从而合金成本显著降低；(2)该合金退火后的室温拉伸强度与Ti6Al4V合金相当，而其室温塑性及韧性更高，适合于板材、管材的冷加工、温加工成形。

A new type of low cost and high performance titanium alloy

The invention relates to a novel high performance and low cost titanium alloy, the titanium alloy is suitable for production of titanium alloy rod and wire, sheet, pipe fittings and other types, can be widely used in the field of aviation, marine technology etc.. The weight percentage of each component of the alloy ranged from Al:3.5% to 4.5%, V:2.0% to 3%, Fe:0.5% to 1.5%, Mo:0.5% to 2%, margin to Ti and inevitable impurity elements. Compared with the widely used Ti6Al4V alloy, the alloy is as follows: (1) the characteristics of lower cost of raw materials, processing and heat cracking tendency is low, the ingot to bar and other products in the form of higher yield, thereby significantly reducing the cost of the alloy; (2) of the alloy after annealing at room temperature and the tensile strength of Ti6Al4V alloy is. The room temperature ductility and toughness is high, suitable for plate and pipe processing, cold forming temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种新型低成本、高性能钛合金
本专利技术涉及一种新型低成本、高性能钛合金，该钛合金适于被制作成棒丝材、板材、管材等，可被广泛应用于航空、海洋等

技术介绍
钛合金因具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性能，在航空、航天、海洋等领域获得了广泛的应用，其中以Ti6Al4V合金较为典型然而钛合金在不同领域内的使用量明显低于铝合金、钢等结构材料，限制钛合金广泛应用的主要壁垒是其相对较高的价格。在保持钛合金性能的前提下降低其成本，能够对钛合金推广应用起到显著的推动作用。钛合金成本较高与原材料成本、钛合金加工生产过程中的材料损耗直接相关。TC4合金(Ti6Al4V)中，原材料主要由海绵钛、V-Al中间合金及纯铝组成，其中海绵钛价格约为50元/公斤，而V-Al合金(V重量百分比65％)价格为180元/公斤，纯Al为30元/公斤。Ti80合金(Ti6Al3Nb1Mo2Zr)中，含V、Nb等贵重金属，其原材料成本较Ti6Al4V合金更高。原材料价格较高是导致钛合金成本较高的主要原因之一。钛合金的加工过程一般分为铸锭熔炼、铸锭开坯锻造、成形锻造/轧制等工艺流程。钛合金热加工过程中，由于不可避免受到温降等因素的影响，坯料表面容易出现折叠、裂纹等缺陷，图1为Ti6Al4V合金热加工后的表面缺陷。在钛合金进入下一加工工序前，表面缺陷必须被彻底清理以防形成成品缺陷。清理表面缺陷导致了大量的材料浪费，降低了材料成材率，提高了材料成本。另外，在钛合金板材、管材加工成形过程中，通常材料冷/温加工提高制品的表面质量。由于钛合金具有明显的加工硬化效应，且室温塑性较低，如：Ti6Al4V合金室温拉伸塑性约15％，在冷/温加工过程中需多次进行消应力热处理，增加了加工次数，提高了材料加工成本。通过以上分析可知，目前钛合金制品成本较高的部分原因是原材料中的贵重金属组成、材料加工过程中加工周期长、材料加工损耗高等多种因素。因此，若能够以价格较低的合金元素替代V、Nb等贵重元素，并且通过调整成份组成来改善合金的加工性能，提高成材率，将有效地降低钛合金制品的成本。
技术实现思路
以进一步降低钛合金成本，并扩大钛合金的应用范围为目标，本专利技术提出了一种低成本、高性能钛合金的成份组成。该合金原材料成本较低，并且具有良好的热加工性能，材料成材率较高，综合有效降低了钛合金的成本。并且与TC4合金对比，该合金的强度与其相当，而塑性及韧性均优于TC4合金，具有了更好的力学性能优势。本专利技术的技术方案如下：一种新型低成本、高性能钛合金，该钛合金各组成元素的重量百分比为，Al：3.5％～4.5％，V：2.0％～3.0％，Fe：0.5％～1.5％，Mo：0.5％～2.0％且不含2.0％，余量为Ti。所述的新型低成本、高性能钛合金，该钛合金的制备过程如下：按比例将海绵钛、含V/Mo的添加合金、Fe粉制备成电极，利用真空自耗炉熔炼出钛合金铸锭。所述的新型低成本、高性能钛合金，在制备过程中，通过添加钛合金返回料来进一步降低原材料成本。所述的新型低成本、高性能钛合金，将钛合金铸锭在β单相区开坯锻造，而后在α+β两相区热变形进一步细化晶粒。所述的新型低成本、高性能钛合金，锻造后的热处理如下：750℃～850℃保温2～4小时空冷至室温。所述的新型低成本、高性能钛合金，热处理后的合金性能如下：抗拉强度850～950MPa，屈服强度800～900MPa，延伸率17～22％，U型缺口冲击韧性40～60J。所述的新型低成本、高性能钛合金，根据最终产品的形式及规格，采用冷变形或温变形来制备钛合金的薄板或管材。采用本专利技术提出的成份组成将获得以下经济或技术效益：(1)本专利技术合金Al、V元素的含量低于TC4合金，利用价格低廉的Fe粉等添加剂，并且可大量应用TC4合金的残料、废料等返回料，降低原材料成本。(2)本专利技术通过合金热力学相图计算，合理控制Al、V、Mo、Fe等单个元素含量，并整体控制V、Mo、Fe元素的总量，扩大合金两相区范围，使该合金在两相区较低温度时β相比例高于TC4等传统合金。由于Ti合金β相(体心立方结构)变形能力高于α相(密排六方结如构)，因此相同温度下当钛合金中β相比例较高时，其可锻造变形能力较高，不易出现变形裂纹等缺陷。当本专利技术提出的钛合金在热锻造变形过程中，坯料表面温度降低后其β相比例仍然高于TC4等传统合金，使得该合金表面变形能力较好，不易出现锻造裂纹等缺陷。(3)本专利技术提出的钛合金的强度与TC4合金相当，而其塑性、韧性则优于TC4合金，在强度、塑性、韧性等综合性能匹配方面具有明显优势。本专利技术提出的合金的力学性能与其显微组织尺寸及相组成有关。首先，添加的Mo元素在Ti中的扩散速度较慢，抑制了热加工过程中合金显微组织尺寸的长大，使得最终显微组织细小，有利于提高合金塑性；其次，利用Mo、Fe元素在β相易偏聚行为，通过合金热力学相图计算，精确控制Fe、Mo元素在β相中的浓度，使β相中的Mo当量控制在10～12之间，使合金在变形过程中诱发相变增韧效果，提高材料的韧性。钛合金中，Al元素是普遍添加的α稳定元素，能够强化α相，但Al元素含量较高时能够形成Ti3Al化合物，显著降低合金的韧性。因此将Al含量控制在不诱发Ti3Al化合物生成也是本专利技术合金成分设计的基础。(4)本专利技术提出的钛合金成份在海洋环境下具有优于TC4等传统钛合金的耐腐蚀性能。总体上钛合金较钢铁材料具有更加优异的耐海洋环境腐蚀性能。在具有应力载荷情况下，钛合金表现出明显的应力腐蚀行为。通过开展相关研究得出，钛合金在海洋环境下的腐蚀行为与钛基体对氢原子的吸附能力有关，钛基体对氢原子的吸附能力越强，氢原子在钛中不易扩散，减弱氢脆效应，从而提高钛合金的耐海水腐蚀性能。基于此，通过热力学计算，依次获得优化的α/β两相比例及两相中的成份组成，最终实现钛基体对氢原子吸附的最佳效果。计算结果显示，钛合金中β相对于氢原子的吸附能力高于α相，Fe、Mo元素的添加不仅优化提高β相比例，同时还自身与氢原子相互吸附。附图说明图1为Ti6Al4V合金热变形后的宏观照片，其表面出现的裂纹、折叠等缺陷。图2为Ti4Al2.5V1.5Mo1Fe(Ti4211)合金与TC4合金β相含量随温度的变化曲线。图中，横坐标temperature为温度(℃)；纵坐标proportionofβphase为β相含量(％)。图3为Ti4Al2.5V1.5Mo1Fe(Ti4211)合金热变形后的宏观照片，其表面未出现明显的裂纹、折叠等缺陷。图4为Ti4Al2.5V1Mo1Fe(Ti4211)合金与TC4合金的显微组织形貌；其中，(a)Ti4211合金(b)TC4合金。图5为Ti4Al2.5V1Mo1Fe(Ti4211)合金与TC4合金的应力应变曲线及冲击韧性(Aku)比较；其中，(a)应力应变曲线，横坐标Truestrain为真应变(％)；纵坐标Truestess为真应力(MPa)；(b)冲击韧性。图6为Ti6Al4V合金与Ti4Al2.5V1Mo1Fe(Ti4211)合金在浓度为3.5wt％的NaCl水溶液中的开路电位曲线。图中，横坐标Time为时间(s)；纵坐标E为电位(V)。图7为Ti6Al4V合金与Ti4Al2.5V1Mo1Fe(Ti4211)合金在浓度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型低成本、高性能钛合金，其特征在于，该钛合金各组成元素的重量百分比为，Al：3.5％～4.5％，V：2.0％～3.0％，Fe：0.5％～1.5％，Mo：0.5％～2.0％且不含2.0％，余量为Ti。

【技术特征摘要】
1.一种新型低成本、高性能钛合金，其特征在于，该钛合金各组成元素的重量百分比为，Al：3.5％～4.5％，V：2.0％～3.0％，Fe：0.5％～1.5％，Mo：0.5％～2.0％且不含2.0％，余量为Ti。2.按照权利要求1所述的新型低成本、高性能钛合金，其特征在于，该钛合金的制备过程如下：按比例将海绵钛、含V/Mo的添加合金、Fe粉制备成电极，利用真空自耗炉熔炼出钛合金铸锭。3.按照权利要求2所述的新型低成本、高性能钛合金，其特征在于，在制备过程中，通过添加钛合金返回料来进一步降低原材料成本。4.按照权利要求2所述的新型低成本、高性能...

【专利技术属性】
技术研发人员：马英杰，雷家峰，杨锐，邱建科，吉海宾，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21