一种低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金制造技术

本发明专利技术公开一种新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，属于新型钛合金技术领域。该合金各组成元素的重量百分比为Al：3.0～4.5％，V：2.0～3.0％，Fe：0.5～1.5％，Cu：0.5～2.0％，余量为Ti及杂质元素。与Ti‑6Al‑4V合金相比，该合金特征如下：(1)原材料成本较低，热加工塑性较好，成材率较高，成本显著降低；(2)该合金退火后的室温拉伸强度与Ti‑6Al‑4V合金相当，而其室温塑性更高，适合于板材、管材的冷加工、温加工成形；(3)合金的耐海水腐蚀性能获得进一步提升。本发明专利技术提出的钛合金适于生产棒丝材、板材、管件等钛合金制品，可被广泛应用于航空、航天、海洋等技术领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新型钛合金
，具体涉及一种新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，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、航天、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Ti-6Al-4V合金较为典型。钛元素在地壳中所占比例为0.6％，仅次于铝、铁、镁三种元素。然而与巨大的储量相对应的是钛合金在不同领域内的使用量相对铝合金、钢明显较低，限制钛合金广泛应用的主要壁垒是其相对于钢铁等材料较高的成本。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。以Ti-6Al-4V合金为例，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。另外为了提高Ti-6A-4V的耐海水腐蚀性能，通常添加重量百分比为0.1％的Ru元素，而Ru粉价格超过20000元/公斤。由原材料成本组成可见，V、Ru等贵重金属是导致钛合金原材料成本较高的重要原因之一。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Ti-6Al-4V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。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Ti-6Al-4V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、Ru等贵重元素，并且通过调整成分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
为了进一步降低钛合金成本，并扩大钛合金的应用范围，本专利技术的目的在于提供一种新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，通过降低V、Ru等贵重元素的用量，添加Fe、Cu等廉价金属，在保障钛合金力学性能的前提下，不仅降低了原材料成本，还提高了钛合金成材率，综合有效降低了钛合金的成本。本专利技术的具体技术方案如下：一种新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，按重量百分含量计，该钛合金化学成分为：Al：3.0～4.5％，V：2.0～3.0％，Fe：0.5～1.5％，Cu：0.5～2.0％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。该钛合金化学成分中，V元素含量优选为2.0～2.6wt.％，Fe元素含量为0.6～1.2wt.％，Cu元素含量为0.8～1.9wt.％。该钛合金所包含的杂质元素中，O<0.06wt.％，N<0.01wt.％，H<0.001wt.％。本专利技术钛合金按照如下步骤进行制备：(1)按照合金中各元素比例，将原料海绵钛、V-Al合金、Fe粉和Cu屑制备成电极，利用真空自耗炉熔炼出钛合金铸锭；此外也可添加钛合金返回料来进一步降低原材料成本；(2)将铸锭在β单相区开坯锻造，而后在α+β两相区进行热变形处理，进一步细化晶粒；(3)根据最终产品所需形式及规格，采用冷变形或温变形来制备钛合金的薄板或管材。本专利技术钛合金的室温拉伸性能为：抗拉强度Rm≥750MPa，屈服强度Rp0.2≥650MPa，延伸率A≥18％，断面收缩率Z≥45％；室温冲击韧性≥50J。本专利技术钛合金设计原理如下：1、在使合金力学性能与Ti-6Al-4V合金的前提下，原材料成本大幅度降低。与与Ti-6Al-4V合金相比，削减了约40％的V元素的用量，采用价格低廉的Fe粉、Cu屑等替代材料。通过合金强度理论计算，使优化后的合金具有与Ti-6Al-4V合金相当的强度水平。2、通过添加Fe、Cu元素，活跃了该合金的塑性变形程度，使合金的变形能力大幅度提高，减少了钛合金加工过程中的材料损耗，缩短了加工流程，进一步降低了材料成本。这主要归结于以下三方面作用：(a)α-Ti具有密排六方晶体结构，在塑性变形过程中，密排六方结构中硬取向晶粒可借助整体变形直接转变为软取向晶粒，对于α-Ti及其合金，合金元素Fe的加入可降低这种转变的激发能，从而有助于塑性变形；(b)重量百分比约为0.5％～1.5％的Fe及0.5％～2.0％Cu元素的均能够在β-Ti中富集，在该成分范围内恰好能够使局部在塑性变形过程中发生“相变增塑”及“相变增韧”等有益效果，大幅度提高了钛合金的塑性变形能力。(c)部分Cu能够与Ti反应生成TiCu脆性化合物，降低材料的塑性及韧性，而Fe元素则能够显著抑制过量脆性TiCu脆性化合物的生成，适量的Fe、Cu两种元素及其之间的交互作用共同使该合金体系具有较好的塑性及韧性。3、Fe、Cu元素的添加使该合金体系具有较好的抗海水腐蚀能力，避免了Ru等贵重金属的使用。为了提高Ti-6A-4V的耐海水腐蚀性能，通常添加重量百分比为0.1％的Ru元素，而Ru粉价格超过20000元/公斤。对本专利技术提出的成分组成在不同浓度的NaCl溶液中进行了极化曲线测试及50天浸泡试验，发现Fe、Cu的添加能够显著提高钛合金的抗海水腐蚀能力，而其作用机制与两种元素的单独作用及两者的交互作用相关。单质Cu价格约为50元/公斤，相比于Ru粉20000元/公斤，每吨钛合金节约原材料成本约19000元。相比于现有技术，本专利技术的优点及有益效果如下：1、本专利技术合金原材料成本较低，热加工塑性较好，成材率较高，成本显著降低。2、本专利技术合金退火后的室温拉伸强度与Ti-6Al-4V合金相当，而其室温塑性更高，适合于板材、管材的冷加工、温加工成形。3、本专利技术合金的耐海水腐蚀性能获得进一步提升。4、本专利技术钛合金适于生产棒丝材、板材、管件等多种类型的钛合金制品，可被广泛应用于航空、航天、海洋等
附图说明图1为Ti-6Al-4V合金热变形后表面出现的裂纹、折叠等缺陷。图2为2#成分合金热变形后表面出现明显的裂纹、折叠等缺陷。图3为Ti-6Al-4V合金与2#合金室温拉伸真应力-真应变曲线。图4为Ti-6Al-4V合金与2#成分合金在重量百分比为3％的NaCl溶液中的极化曲线。图5为Ti-6Al-4V合金在重量百分比为7％的NaCl溶液中浸泡7周后的表面形貌。图6为2#成分合金在重量百分比为7％的NaCl溶液中浸泡7周后的表面形貌。图7为1#成分钛合金不同热处理工艺下的室温拉伸强度。图8为1#成分钛合金不同热处理工艺下的室温拉伸延伸率。图9为2#成分钛合金不同热处理工艺下的室温拉伸强度。图10为2#成分钛合金不同热处理工艺下的室温拉伸延伸率。图11为3#成分钛合金不同热处理工艺下的室温拉伸强度。图12为3#成分钛合金不同热处理工艺下的室温拉伸延伸率。图13为2#合金在重量百分比为3.5％的NaCl溶液中浸泡7周后的表面形貌。图14为2#合金在重量百分比为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，其特征在于：按重量百分含量计，该钛合金化学成分为：Al：3.0～4.5％，V：2.0～3.0％，Fe：0.5～1.5％，Cu：0.5～2.0％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。

【技术特征摘要】
1.一种新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，其特征在于：按重量百分含量计，该钛合金化学成分为：Al：3.0～4.5％，V：2.0～3.0％，Fe：0.5～1.5％，Cu：0.5～2.0％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述的新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，其特征在于：该钛合金化学成分中，V元素含量为2.0～2.6wt.％。3.根据权利要求1所述的新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，其特征在于：该钛合金化学成分中，Fe元素含量为0.6～1.2wt.％。4.根据权利要求1所述的新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，其特征在于：该钛合金化学成分中，Cu元素含量为0.8～1.9wt.％。5.根据权利要求1所述的新型低成本、高塑性、耐海水腐蚀钛合金，其特征在于：该钛合金化学成分中，O<0.06wt.％，N<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐，雷家峰，马英杰，黄森森，刘羽寅，
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