一种增强增韧亚稳β钛合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种增强增韧亚稳β钛合金，按照重量百分比有以下元素组成：Al：3.6％～6.0％，Mo：3.0％～5.0％，V：3.0％～5.0％，Cr：2.0％～5.9％，Nb：1.0％～4.0％，Fe：0.4％～2.0％，O：0.05％～0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％。本发明专利技术还公开了上述钛合金的制备方法。本发明专利技术通过改变Nb元素的添加形式，避免了富Nb不熔块的高密度夹杂缺陷的形成。采用阶梯式变功率熔炼工艺参数，提高了铸锭化学成分均匀性，保证了WSTi544432亚稳β钛合金的成分均匀和性能稳定性。

An enhanced and toughened metastable beta titanium alloy and its preparation method

The invention discloses an enhanced toughening and toughening of metastable beta titanium alloy, which consists of the following elements: Al:3.6% to 6%, Mo:3.0% to 5%, V:3.0% to 5%, Cr:2.0% - 5.9%, Nb:1.0% - 4%, Fe:0.4% - 2%, O:0.05% - 0.3%, and the allowance for Ti and unavoidable impurities. The total amount of impurity elements is not more than 0.15%, and the weight percentage of the above components is 100%. The invention also discloses a preparation method of the titanium alloy. By changing the addition form of Nb elements, the invention avoids the formation of high density inclusion defects with rich Nb non frying blocks. The step type variable power melting process parameters have been used to improve the chemical composition uniformity of the ingot, and ensure the composition uniformity and performance stability of the WSTi544432 metastable beta titanium alloy.

【技术实现步骤摘要】
一种增强增韧亚稳β钛合金及其制备方法
本专利技术属于钛合金
，具体涉及一种增强增韧亚稳β钛合金，本专利技术还涉及上述亚稳β钛合金的制备方法。
技术介绍
WSTi544432名义成分为Ti-5Al-4Mo-4V-4Cr-3Nb-2Fe，是一种亚稳β型钛合金。WSTi544432合金具有较高的比强度和室温延伸率，其断裂韧性更是优于传统Ti-Al-Mo-V-Cr-Fe系亚稳β钛合金，当强度达到1350MPa级别时，KIC仍可达到65MPa·m0.5，而美国的Timetal555、俄罗斯的VST55531以及国内TC18钛合金在相同强度水平下，KIC仍均小于50MPa·m0.5，无法满足大尺寸航空结构件需求。WSTi544432钛合金中Nb元素属于弱β稳定元素，其原子半径与Ti基体原子接近，具有良好的无限互溶性，不会与基体发生相变，而Cr元素在时效强化热处理过程中易与Ti基体反应，进一步形成脆性Ti2Cr第二相，导致在疲劳裂纹在脆性相与基体界面处形成裂纹并扩展，极大限制了合金的服役性能。诸如俄罗斯VT15、Ti-V13CA以及国内TB2等合金。与之相反，TiNb合金是良好的超导线材及铆钉材，具有良好的冷加工性能，经过时效处理后无任何析出相，但不能产生时效强化效果。因此，如何获得强度、塑性以及韧性的综合匹配的新型亚稳β钛合金，是本领域研究人员的目标。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种增强增韧亚稳β钛合金，具有较高的强度、塑性和韧性。本专利技术的另一目的是提供上述增强增韧亚稳β钛合金的制备方法。本专利技术所采用的技术方案是，一种增强增韧亚稳β钛合金，按照重量百分比由以下元素组成：Al：3.6％～6.0％，Mo：3.0％～5.0％，V：3.0％～5.0％，Cr：2.0％～5.9％，Nb：1.0％～4.0％，Fe：0.4％～2.0％，O：0.05％～0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％。本专利技术所采用的另一技术方案是，一种增强增韧亚稳β钛合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，制备自耗电极：称取粉末状铝钒铌合金、颗粒状铝钼合金、铝铬和铝铁合金、铝豆、小颗粒海绵钛，将各原料混合，压制成电极块，采用等离子电弧将电极块焊接为自耗电极；步骤2，真空自耗熔炼：采用真空自耗电弧炉将步骤1得到的自耗电极进行三次真空熔炼，即得到WSTi544432钛合金铸锭。本专利技术的特点还在于，粉末状铝钒铌合金粒径不超过0.8mm。铝钒铌合金中各元素重量百分比为Al：48.0％～52.0％，V：30.0％～34.0％，Nb：16.0％～20.0％，余量为不可避免杂质元素，以上元素重量百分比之和为100％。步骤2中第一次熔炼参数为：熔炼电压32～36V，熔炼电流20～24kA。步骤2中第二次熔炼参数为：熔炼电压34～38V，熔炼电流23～27kA。步骤2中第三次熔炼参数为：起弧后电流升至3kA～6kA保持5min～8min，对应熔炼电压28V～30V，随后电流升至18kA～22kA保持15min～20min，对应熔炼电压30V～32V，随后电流升至22kA～26kA保持20min～30min，对应电压34V～36V，随后电流继续升高至25kA～29kA，并保持至熔炼结束，对应电压36V～38V。步骤2得到的WSTi544432钛合金铸锭，按照重量百分比由以下元素组成：Al：3.6％～6.0％，Mo：3.0％～5.0％，V：3.0％～5.0％，Cr：2.0％～5.9％，Nb：1.0％～4.0％，Fe：0.4％～2.0％，O：0.05％～0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％。本专利技术的有益效果是，本专利技术采用直径不超过0.8mm的粉末状铝钒铌合金代替纯铌，有效的减少铝热还原过程引起原材料杂质元素含量提升，提高WSTi544432亚稳β钛合金的损伤容限性，同时降低难熔Nb元素熔点，避免形成富Nb不熔块这类高密度夹杂缺陷。采用阶梯式变功率熔炼工艺参数，提高铸锭化学成分均匀性，避免形成Cr、Fe元素偏析，保证WSTi544432亚稳β钛合金性能均匀和稳定性。本专利技术得到的WSTi544432亚稳β钛合金强度达到1300MPa，同时断裂韧性和塑性分别不低于60MPa·m0.5和6％。附图说明图1是对采用本专利技术方法得到的铸锭纵向5点取样示意图；图2是对采用本专利技术方法得到的铸锭纵向5点化学成分图。图中，1.铸锭，2.5个纵向边缘取样点。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供了一种增强增韧亚稳β钛合金，按照重量百分比由以下元素组成：Al：3.6％～6.0％，Mo：3.0％～5.0％，V：3.0％～5.0％，Cr：2.0％～5.9％，Nb：1.0％～4.0％，Fe：0.4％～2.0％，O：0.05％～0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％。上述增强增韧亚稳β钛合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，制备自耗电极：按照合金成分要求，称取不超过0.8mm的粉末状铝钒铌合金、颗粒状铝钼合金、铝铬和铝铁合金、铝豆、小颗粒海绵钛，并将各原料混合，压制成对角线长度为240mm电极块。将电极块串连夹紧，采用等离子电弧将电极块焊接为自耗电极；步骤2，真空自耗熔炼：采用真空自耗电弧炉将步骤1得到的自耗电极进行三次真空熔炼，即得到WSTi544432钛合金铸锭。一次熔炼参数为：熔炼电压32～36V，熔炼电流20～24kA。二次熔炼参数为：熔炼电压34～38V，熔炼电流23～27kA。三次熔炼参数为：起弧后电流升至3kA～6kA保持5min～8min，对应熔炼电压28V～30V，随后电流升至18kA～22kA保持15min～20min，对应熔炼电压30V～32V，随后电流升至22kA～26kA保持20min～30min，对应电压34V～36V，随后电流继续升高至25kA～29kA，并保持至熔炼结束，对应电压36V～38V。与传统熔炼工艺不同，本专利技术第三次熔炼采用阶梯式变功率熔炼工艺参数，以实现良好的电磁搅拌作用，提高铸锭化学成分均匀性。本专利技术通过开展不同合金元素对力学性能影响的正交试验，对比了不同Nb、Cr和Al等元素含量对应的室温抗拉强度和延伸率。采用本专利技术方法制备得到27炉铸锭，铸锭在1200℃进行开坯锻造，随后在Tβ-40℃～Tβ-100℃进行精锻(Tβ为β转变温度)，最终形成Ф85mm规格棒材。根据GB/T228.1-2015要求，在棒材一端取标距直径为Ф6mm的标准拉伸试样，采用0.015mm/(mm*s)拉伸速率进行室温拉伸测试，最终获得抗拉强度和延伸率，如表1所示。表1WSTi544432钛合金成分与室温强度和延伸率对照列表实验结果表明：随着Cr和Al元素含量增加，合金强度显著提升，其中Cr元素影响更加明显，但同时延伸率也随之下降；增加Nb元素后，合金强度保持原有水平，而延伸率有所提升。另外，当合金O元素含量较高时，合金强度提升的同时延伸率下降显著。基于上述化学成分与室温拉伸性能的正交试验结果，本专利技术得到了WSTi544432合金的化学成分，按照重量百本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强增韧亚稳β钛合金，其特征在于，按照重量百分比由以下元素组成：Al：3.6％～6.0％，Mo：3.0％～5.0％，V：3.0％～5.0％，Cr：2.0％～5.9％，Nb：1.0％～4.0％，Fe：0.4％～2.0％，O：0.05％～0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％。

【技术特征摘要】
1.一种增强增韧亚稳β钛合金，其特征在于，按照重量百分比由以下元素组成：Al：3.6％～6.0％，Mo：3.0％～5.0％，V：3.0％～5.0％，Cr：2.0％～5.9％，Nb：1.0％～4.0％，Fe：0.4％～2.0％，O：0.05％～0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％。2.一种增强增韧亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，制备自耗电极：称取粉末状铝钒铌合金、颗粒状铝钼合金、铝铬和铝铁合金、铝豆、小颗粒海绵钛，将各原料混合，压制成电极块，采用等离子电弧将电极块焊接为自耗电极；步骤2，真空自耗熔炼：采用真空自耗电弧炉将步骤1得到的自耗电极进行三次真空熔炼，即得到WSTi544432钛合金铸锭。3.根据权利要求2所述的一种增强增韧亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，所述粉末状铝钒铌合金粒径不超过0.8mm。4.根据权利要求2所述的一种增强增韧亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，所述铝钒铌合金中各元素重量百分比为Al：48.0％～52.0％，V：30.0％～34.0％，Nb：16.0％～20.0％，余量为不可避免杂质元素，以上元素重量百分比之和为100％。5.根据权利要求2所述的一种增强增韧亚...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙峰，付杰，罗文忠，崔林林，雷锦文，王凯旋，刘向宏，冯勇，
申请(专利权)人：西部超导材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61