專利名稱：：一種新型高強(qiáng)高韌鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鈦合金，具體涉及一種新型的高強(qiáng)高韌鈦合金。
背景技術(shù)：
：近年來隨著材料科學(xué)的發(fā)展以及能源危機(jī)的沖擊，航空航天工業(yè)對(duì)高強(qiáng)度、高斷裂韌性的新型結(jié)構(gòu)材料的需要越來越迫切。因此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能夠替代超高強(qiáng)度鋼并用于航空大型承力件的新型高強(qiáng)高韌鈦合金勢在必行。所謂高強(qiáng)高韌鈦合金一般指抗拉強(qiáng)度在1000MPa以上，斷裂韌性在55MPam1/2以上，且具有較好塑性的鈦合金。目前，國內(nèi)外主要的代表性高強(qiáng)高韌鈦合金有Ti-10V-2Fe-3Al，Ti-5Al-5Mo-5V-lFe-lCr，Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr(TB2)，Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr(TB10)等。這些高強(qiáng)高韌鈦合金以亞穩(wěn)P鈦合金和近P鈦合金為主。近|3鈦合金和亞穩(wěn)定13鈦合金分別指|3穩(wěn)定系數(shù)在11.5和1.52.5的13鈦合金。ke值的定義為鈦合金中各13穩(wěn)定元素的重量百分比與各自的臨界濃度的比值之和即ke=CM。/11+CV/14.9+Ctt/6.5+CNb/28.4+CTa/40"'+CFe/5(式1)，CM。、Cv、C&、Q、CTa、…、c&為合金中所含e穩(wěn)定元素的重量百分比。e鈦合金的強(qiáng)化機(jī)制主要是亞穩(wěn)P相通過時(shí)效處理，分解成彌散分布的aj目、穩(wěn)定P相或其它第二相，使合金強(qiáng)度得到大幅度提高。合金成分、顯微組織是決定鈦合金斷裂韌性的主要因素，合金成分決定了合金中P相的數(shù)量，也決定了合金的類型和斷裂韌性。顯微組織的形態(tài)、數(shù)量、體積等因素同樣決定合金斷裂韌性的高低。一般來說，隨著強(qiáng)度的提高，合金的斷裂韌性降低。因此在國內(nèi)外高強(qiáng)高韌鈦合金的類型主要以近P鈦合金和亞穩(wěn)P鈦合金為主。但由于高強(qiáng)高韌的鈦合金主要作為結(jié)構(gòu)材料在現(xiàn)代技術(shù)中廣泛使用，因此新型高強(qiáng)高韌鈦合金除了具有良好的力學(xué)性能外，同時(shí)還應(yīng)具有良好的可加工性及深硬化性。亞穩(wěn)|3鈦合金由于合金化程度較高，合金相變點(diǎn)較低，13晶粒容易在|3相區(qū)鍛造的反復(fù)加熱過程中長大，對(duì)合金的塑性極為不利。同時(shí)，高合金化P合金抗變形抗力較大，在鍛件截面尺寸較大時(shí)難以實(shí)現(xiàn)較大的變形量，故不選用此類型合金。近|3型鈦合金含有臨界濃度附近的13穩(wěn)定元素，Mo當(dāng)量為8.510.8，Ke為1.01.5，因此該類合金兼有a+|3兩相和亞穩(wěn)定|3相合金的性能特征，即在固溶狀態(tài)具有良好的冷加工性能，在固溶時(shí)效狀態(tài)下具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性相匹配，且熱加工工藝性能十分優(yōu)異，加工溫度及變形抗力遠(yuǎn)低于大多數(shù)工業(yè)鈦合金。此外，該類合金淬透性高，可用于大截面結(jié)構(gòu)件。富P的兩相鈦合金，Ke為0.81.0，該類鈦合金通過熱處理可改變P相的形態(tài)和數(shù)量，性能可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，具有強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性的良好匹配，且變形抗力小，熱加工性能較好。美國的Ti-10V-2Fe-3Al合金按照標(biāo)準(zhǔn)AMS4984(75mm厚鍛件)，其Rm=1193MPa，Rp。.2=1103MPa，A=4%，KIC=44MPa*m1/2。由此可見該合金的強(qiáng)度可以達(dá)到高強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，但是斷裂韌性略差。同時(shí)由于該合金由于含有2%Fe，在熔煉時(shí)容易因成分偏析產(chǎn)生"l3斑點(diǎn)"，在稍微低于基體轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行熱處理時(shí)就會(huì)發(fā)生偏析問題，從而影響合金的性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種新型高強(qiáng)高韌鈦合金，不僅具有良好的力學(xué)性能，同時(shí)還具有良好的可加工性及深硬化性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案之一—種高強(qiáng)高韌鈦合金，其成分包括(重量百分?jǐn)?shù))2.05.5X的A1;2.08.0X的Mo，2.06.0%的V，且Mo/V的值在1/34;2.05.0%的0;ke=CM。/11+CV/14.9+CCr/6.5+C^/5，其值為0.851.4;中性元素Zr、Hf、Sn中的一種或者兩種，且成分范圍均為0.153.5%;其余為Ti，其它雜質(zhì)包括不大于O.10X的Si，不大于0.10%的0，不大于0.01%的H，其余成分按常規(guī)鈦合金控制?！N優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述的其它成份按常規(guī)鈦合金控制，為控制C含量不超過0.05%，N含量不超過0.05%。之二—種高強(qiáng)高韌鈦合金，其成分包括(重量百分?jǐn)?shù))2.05.5X的A1;2.08.0X的Mo，2.06.0%的V，且Mo/V的值在1/34;2.05.OX的Cr和Fe，并且Fe的含量不超過0.9%;ke=CM。/11+CV/14.9+CCr/6.5+C^/5，其值為0.851.4;其余為Ti，不大于O.10X的Si，其它雜質(zhì)包括不大于O.10%的0，不大于0.01%的H，其余成分按常規(guī)鈦合金控制。—種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述合金中還包括中性元素Zr、Hf、Sn中的一種或者兩種，并且各中性元素的含量均為0.153.5%?！N優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述的其它成份按常規(guī)鈦合金控制，為控制C含量不超過0.05%，N含量不超過0.05%。為了獲得綜合性能優(yōu)異的鈦合金，本發(fā)明中使用了同晶型的13穩(wěn)定元素Mo和V。Mo和V是13穩(wěn)定元素中應(yīng)用最廣的兩個(gè)元素，對(duì)13相起固溶強(qiáng)化作用，并顯著降低相變點(diǎn)，增加合金的淬透性，從而增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化效果。由于他們是P同晶元素，不會(huì)發(fā)生共析反應(yīng)，保證合金在高溫下的組織穩(wěn)定性。本發(fā)明的合金需要添加適量的共析型穩(wěn)定元素Cr或者Fe，Cr和Fe強(qiáng)化效果大，穩(wěn)定P相能力強(qiáng)，是高強(qiáng)13型鈦合金的主要添加劑。Cr和Fe含量過高，會(huì)容易出現(xiàn)偏析和形成脆性金屬間化合物。本發(fā)明的合金加入了a穩(wěn)定元素A1，Al的加入可提高再結(jié)晶溫度，有利于近P型鈦合金的次生a相析出，還可防止由亞穩(wěn)定13鈦合金或者近|3鈦合金在低溫時(shí)的亞穩(wěn)P相分解"相而引起脆性。本發(fā)明的合金還加入了適當(dāng)?shù)闹行栽豘r，Hf和Sn，其含量優(yōu)選不超過3.5%。Zr，Hf和Sn對(duì)P相起補(bǔ)充強(qiáng)化作用，也能抑制"相的生成，使合金具有良好的壓力加工性能和焊接性能。本發(fā)明的新型鈦合金可用在海綿鈦中添加本發(fā)明規(guī)定的純金屬或中間合金，并利用真空感應(yīng)熔煉(VIM)、真空電弧熔煉(VAR)、真空感應(yīng)凝殼熔煉(ISM)、等離子電弧熔煉(PAM)和電子束熔煉(EBM)等多種熔煉方法熔煉而成。本發(fā)明合金的鑄錠在相變點(diǎn)以上的溫度開坯，然后進(jìn)行中間鍛造，鍛造成用棒坯。棒坯在相變點(diǎn)以上或以下5(TC范圍內(nèi)加熱，然后采用多火次的換向鐓拔鍛造制備成品棒材，總變形量應(yīng)大于77%，成品棒材采用雙重或多重?zé)崽幚?，熱處理后合金的初生球狀a相含量應(yīng)控制在15%20%，即可制成高強(qiáng)高韌性的棒材。有益效果本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明的鈦合金相變點(diǎn)低，合金的淬透性強(qiáng)，在高溫下的組織穩(wěn)定性好。2、本發(fā)明的合金不容易出現(xiàn)偏析和形成脆性金屬間化合物。3、本發(fā)明的合金提高了再結(jié)晶溫度，有利于近|3型鈦合金的次生a相析出，還可防止由亞穩(wěn)定P鈦合金或者近P鈦合金在低溫時(shí)的亞穩(wěn)P相分解"相而引起脆性。4、本發(fā)明的合金具有良好的壓力加工性能和焊接性能。5、本發(fā)明的合金具有良好的拉伸塑性和可鍛性。下面通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。具體實(shí)施方式實(shí)施例1根據(jù)所確定的合金成分，選用以下合金料進(jìn)行配料市售海綿鈦，海綿鋯，金屬鉻，金屬鋁豆，Ti-Sn中間合金，Ti-Mo中間合金，A1-V中間合金制備成單塊電極，單塊電極在真空焊箱內(nèi)組焊成自耗電極，自耗電極在真空自耗熔煉爐中進(jìn)行三次真空自耗熔煉制備成鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分見表l。表1鑄錠的化學(xué)成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>該合金在相變點(diǎn)115(TC開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表2中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表2。表2鍛造方棒的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>該合金在相變點(diǎn)1150。C開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表4中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表4，測試結(jié)果表明合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。表4鍛造方棒的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實(shí)施例3根據(jù)所確定的合金成分，選用以下合金料進(jìn)行配料市售海綿鈦，海綿鋯，金屬鉻，金屬鋁豆，Ti-Mo中間合金，Al-V中間合金制備成單塊電極，單塊電極在真空焊箱內(nèi)組焊成自耗電極，自耗電極在真空自耗熔煉爐中進(jìn)行三次真空自耗熔煉制備成鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分見表5。表5鑄錠的化學(xué)成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>該合金在相變點(diǎn)115(TC開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表6中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表6，測試結(jié)果表明合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。表6鍛造方棒的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例4根據(jù)所確定的合金成分，選用以下合金料進(jìn)行配料市售海綿鈦，海綿鋯，金屬鉻，金屬鋁豆，Ti-Mo中間合金，Al-V中間合金制備成單塊電極，單塊電極在真空焊箱內(nèi)組焊成自耗電極，自耗電極在真空自耗熔煉爐中進(jìn)行三次真空自耗熔煉制備成鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分見表7。表7鑄錠的化學(xué)成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>該合金在相變點(diǎn)115(TC開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表8中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表8，測試結(jié)果表明合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。表8鍛造方棒的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>該合金在相變點(diǎn)115(TC開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表12中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表12，測試結(jié)果表明合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。表12鍛造方棒的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實(shí)施例7根據(jù)所確定的合金成分，選用以下合金料進(jìn)行配料市售海綿鈦，火器級(jí)海綿鋯，原子能級(jí)Hf，金屬鉻，金屬鋁豆，Ti-Mo中間合金，A1-V中間合金制備成單塊電極，單塊電極在真空焊箱內(nèi)組焊成自耗電極，自耗電極在真空自耗熔煉爐中進(jìn)行三次真空自耗熔煉制備成鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分見表13。表13鑄錠的化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>該合金在相變點(diǎn)115(TC開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表14中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表14，測試結(jié)果表明合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。表14鍛造方棒的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>實(shí)施例8根據(jù)所確定的合金成分，選用以下合金料進(jìn)行配料市售海綿鈦，火器級(jí)海綿鋯，原子能級(jí)Hf，金屬鉻，金屬鋁豆，Ti-Mo中間合金，A1-V中間合金制備成單塊電極，單塊電極在真空焊箱內(nèi)組焊成自耗電極，自耗電極在真空自耗熔煉爐中進(jìn)行三次真空自耗熔煉制備成鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分見表15。表15鑄錠的化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>該合金在相變點(diǎn)115(TC開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表16中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表16，測試結(jié)果表明合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。表16鍛造方棒的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>實(shí)施例9根據(jù)所確定的合金成分，選用以下合金料進(jìn)行配料市售海綿鈦，火器級(jí)海綿鋯，原子能級(jí)Hf，金屬鉻，金屬鋁豆，Ti-Mo中間合金，A1-V中間合金制備成單塊電極，單塊電極在真空焊箱內(nèi)組焊成自耗電極，自耗電極在真空自耗熔煉爐中進(jìn)行三次真空自耗熔煉制備成鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分見表17。表17鑄錠的化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>該合金在相變點(diǎn)115(TC開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表18中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表18，測試結(jié)果表明合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。表18鍛造方棒的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>實(shí)施例10根據(jù)所確定的合金成分，選用以下合金料進(jìn)行配料市售海綿鈦，金屬鉻，金屬鋁豆，Ti-Mo中間合金，Al-V中間合金制備成單塊電極，單塊電極在真空焊箱內(nèi)組焊成自耗電極，自耗電極在真空自耗熔煉爐中進(jìn)行三次真空自耗熔煉制備成鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分見表19。表19鑄錠的化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>該合金在相變點(diǎn)115(TC開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表20中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表20，測試結(jié)果表明合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。表20鍛造方棒的力學(xué)性能鍛造AZKic溫度熱處理制度(MPa)(MPa)(%)(%)(MPa'm1''2)(。c)900610°C/8h(AC)132012657.016.061.3820750°C/2h(AC)+580°C/4h(AC)1145111018.040.060.0實(shí)施例ll根據(jù)所確定的合金成分，選用以下合金料進(jìn)行配料市售海綿鈦，海綿鋯，金屬鉻，金屬鋁豆，金屬鐵，Ti-Mo中間合金，Al-V中間合金制備成單塊電極，單塊電極在真空焊箱內(nèi)組焊成自耗電極，自耗電極在真空自耗熔煉爐中進(jìn)行三次真空自耗熔煉制備成鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分見表21。表21鑄錠的化學(xué)成分(wt%)元素AlMoVCrFeCH0NSiTi含量5.52.06.04.90.10.050.010.100.050.1余量該合金在相變點(diǎn)115(TC開坯鍛造，在82(TC的中間鍛造后制成(M10mm的棒坯，棒坯加熱到90(TC或82(TC后，在精鍛機(jī)上鍛造成36mmX67mm棒材。經(jīng)過表22中所列的熱處理制度處理后，按GB/T228-2002的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，其力學(xué)性能見表22，測試結(jié)果表明合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。表22鍛造方棒的力學(xué)性能鍛造RpO.2AZKic溫度熱處理制度(MPa)(MPa)(%)(%)(MPa'm1/2)(。c)900610°C/8h(AC)135513359.022.057,7820750。C/2h(AC)+580°C/4h(AC)1170113512.036.058.31權(quán)利要求一種高強(qiáng)高韌鈦合金，其成分包括(重量百分?jǐn)?shù))2.0～5.5％的Al；2.0～8.0％的Mo，2.0～6.0％的V，且Mo/V的值在1/3～4；2.0～5.0％的Cr；kβ＝CMo/11+CV/14.9+CCr/6.5+CFe/5，其值為0.85～1.4；中性元素Zr、Hf、Sn中的一種或者兩種，且成分范圍均為0.15～3.5％；余量為Ti。2.—種高強(qiáng)高韌鈦合金，其成分包括(重量百分?jǐn)?shù))2.05.5%的Al;2.08.0%的Mo，2.06.0%的V，且Mo/V的值在1/34;2.05.0%的Cr和Fe，并且Fe的含量不超過0.9%;ke=CM。/11+CV/14.9+CCr/6.5+(^/5，其值為0.851.4;余量為Ti。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)高韌鈦合金，其特征在于所述合金中還包括中性元素Zr、Hf、Sn中的一種或者兩種，Zr、Hf或Sn的含量均為0.153.5%。4.根據(jù)權(quán)利要求l-3任一項(xiàng)所述的高強(qiáng)高韌鈦合金，其特征在于所述高強(qiáng)高韌鈦合金還包括不大于0.10%的Si，不大于0.10%的0，不大于0.01%的H;C、N含量按常規(guī)鈦合金控制。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)高韌鈦合金，其特征在于所述的C、N含量按常規(guī)鈦合金控制，為控制C含量不超過0.05%，N含量不超過0.05%。全文摘要本發(fā)明涉及一種新型的高強(qiáng)高韌鈦合金，其成分組成為(重量百分?jǐn)?shù))2.0～5.5％的Al，2.0～8.0％的Mo，2.0～6.0％的V，且Mo/V的值在1/3～4，含有Cr或Cr和Fe(Fe含量不超過0.9％)，其成分范圍在2.0～5.0％，且kβ＝CMo/11+CV/14.9+CCr/6.5+CFe/5，其值為0.85～1.4，不大于0.10％的Si，不大于0.10％的0，不大于0.01％的H，其它成分按常規(guī)鈦合金控制，余量為Ti；所述合金中還可以含有中性元素Zr、Hf、Sn中的一種或者兩種，且成分范圍均為0.15～3.5％。本發(fā)明合金的淬透性強(qiáng)，在高溫下的組織穩(wěn)定性好；不易出現(xiàn)偏析和形成脆性金屬間化合物；具有良好的壓力加工性能和焊接性能；具有良好的拉伸塑性和可鍛性。文檔編號(hào)C22C14/00GK101760667SQ20081024071公開日2010年6月30日申請(qǐng)日期2008年12月23日優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日發(fā)明者付艷艷,葉文君,宋月清,惠松驍申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院