專利名稱：高強度高韌性鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與高強度高韌性鈦基合金有關(guān)。具體地說，本發(fā)明涉及含有鉬和釩、鉻和/或鐵、鋁、鋯的鈦基合金。
作為現(xiàn)代技術(shù)使用的鈦合金結(jié)構(gòu)材料，除應(yīng)具有高的強度外，還必須兼有良好的延性和足夠高的斷裂韌性。強度雖高而斷裂韌性差的合金，在應(yīng)力作用下，往往由于微小裂紋的存在及失穩(wěn)而導(dǎo)致破壞，使用起來是不安全的。因此，對一種新的優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料的要求，或者是在給定的強度下具有比其它鈦結(jié)構(gòu)材料更高的韌性，或者是在給定韌性值的情況下，具有比其它鈦結(jié)構(gòu)材料更高的強度。同時，還應(yīng)具有良好的可加工性及深硬化性，以便即使加工成厚截面制品，經(jīng)熱處理后，整個截面上仍可均勻地獲得高強度。
在此之前，美國專利US 3 802 877提出了基本成分為含有(重量百分比)6.3-11.0%V、1.75-3.3%Al、0.75-2.25%Fe(Fe與Al含量之比不大于1∶1)、不大于2.25%Sn、不大于2.25%Cr(Cr可取代等量的釩)、不大于1.25%Co(Co可取代等量的Fe)、不大于2.25%Zr(Al加 1/2 Zr量的總和在2.25-3.25%之間)、不大于0.2%O2，余量為鈦的高強度鈦基合金。美國波音公司已將名義成份為Ti-10V-2Fe-3Al的合金鍛件用于波音757飛機上。按照波音公司的標準(BMS7-260)，Ti-10V-2Fe-3Al合金的主要性能為σb≥1236MPa，σ0.2≥1098MPa，δ(4D)≥4%，K1C≥44MN·m-3/2。由上述指標可見，該合金的強度高，但延性和韌性還不夠高。此外，C.C.Chen等人在《第四屆國際鈦會議文集1980年鈦的科學(xué)與技術(shù)》(Titanium′80ScienceandTechnology∶ProceedingsoftheFourthInternationalConferenceonTitanium.1980)1981年第1卷第457頁報導(dǎo)了對該合金的研究。文中指出，Ti-10V-2Fe-3Al合金容易產(chǎn)生鐵的宏觀及微觀偏析，造成鍛件性能的不穩(wěn)定性，必須對該合金的真空熔煉工藝采用特殊的方法，以避免或減輕其偏析。
在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，在鈦基合金中添加β穩(wěn)定元素，經(jīng)過熱處理能獲得高強度。合金的熱處理性和硬化深度隨合金淬火到室溫后保留的β相的量成比例地提高。中華人民共和國國標GB3620-83所公布的TB2鈦合金，其組成為(重量百分數(shù))4.7-5.7%Mo，4.7-5.7%V，7.5-8.5%Cr，2.5-3.5%Al，除不可避免的雜質(zhì)外，其余為鈦。由于該合金含有較多量的β穩(wěn)定元素，在單相區(qū)加熱后，無論是水淬或空冷，β相都可全部保留到室溫，因而該合金在單相區(qū)固溶處理后有良好的冷成型性，冷成型后可時效到高強度，所以TB2合金是適于制作板材、箔材和線材的高強度高韌性亞穩(wěn)定β鈦合金。但以這種合金制作鍛件時，鍛造抗力較大，需在大于1000℃的高溫下鍛造。對于中、大型鍛件，即使在高溫下鍛造，也難于保證在整個截面上獲得足夠的變形量，以致鍛件的組織粗大，拉伸延性偏低。此外，該合金的機加工性能較差。
蘇聯(lián)的R.E.Shalin等人在《第四屆國際鈦會議文集，1980年鈦的科學(xué)與技術(shù)》(Titanium′80ScienceandTechnology∶ProceedingsoftheFourthInternational Conference on Titanium，1980)，1981年第2卷第1265-1275，報導(dǎo)了正在研制中的BT19鈦合金的一些情況。文中介紹了BT19鈦合金自動氬弧焊焊縫金屬枝狀晶中心區(qū)含有6.7%Mo，3.2%V和4.8%Cr;其枝晶之間的區(qū)域含5.0%Mo，3.4%V，和6.4%Cr。并報導(dǎo)了所得的試驗室性能σb＝1520MPa、K1C＝65.1-69.7MN·m-3/2。但文中對BT19鈦合金的正式組分與含量、熔煉、加工和熱處理等工藝均未披露。
本發(fā)明的目的是提供一組高強度高韌性鈦基合金，與上面提到的TB2或Ti-10V-2Fe-3Al合金相比，這類合金在保持相當?shù)膹姸群洼^好的深硬化性的同時，具有更高的斷裂韌性和良好的延性?；蛘?，在保持相當?shù)捻g性值時，具有更高的強度。本發(fā)明的另一個目的是，所提供的高強度高韌性鈦基合金，有好的可鍛性和機加工性。
本發(fā)明提出的合金組成為(重量百分數(shù))3-7%Mo，3-7%V，1.75-4.0%Al，0-6%的Cr，0-2.5%的Zr，0-2.5%的Fe，余量為含氧量小于0.2%的鈦;鉬含量和釩含量的總和在8-12%之間，鉻含量和鐵含量的總和為0-6%。
為了獲得綜合性能優(yōu)異的鈦合金，本發(fā)明中綜合使用了同晶型的β穩(wěn)定元素鉬和釩，鉬含量和釩含量的總和在8-12%之間。眾所周知，純鈦有兩種同素異構(gòu)體，在885℃以上為體心立方的β相，在885℃以下為密排六方的α相。鉬和釩是有體心立方結(jié)構(gòu)的金屬(與β-Ti同晶)，它們的加入可降低純Ti的相變點，擴大β相區(qū)，有較強的穩(wěn)定β相的作用。由于本發(fā)明以鉬和釩作為合金中的主要穩(wěn)定β相的元素，所以含量不能過低。合金中被鉬和釩穩(wěn)定的β相，通過適當?shù)臒崽幚砜杀Ａ舻绞覝兀@種保留β相是亞穩(wěn)的，隨后合金時效時，亞穩(wěn)定的β相分解，析出彌散的α相，從而使合金強化。但合金中的鉬、釩含量不宜過高，含量過高會使保留β相的穩(wěn)定性加大，不利于時效時彌散α相的析出，因而會使合金時效強化性能下降，而且增大合金比重，并給熔煉帶來不利的因素。
本發(fā)明的合金中適量地加入了穩(wěn)定α相的元素鋁，并規(guī)定鋁的含量范圍為1.75-4%。鋁的加入可提高純Ti的相變點，擴大α相區(qū)，所以鋁是一種穩(wěn)定α相的元素。在β型鈦合金中加入適量的鋁有利于時效時彌散α相的析出，從而有利于合金的強化。眾所周知，大多數(shù)亞穩(wěn)定βTi合金或近βTi合金在較低溫度時效時，β相分解析出α相的過程中，會出現(xiàn)一種脆性的中間相-ω相，在這類合金中適量加入Al，對脆性ω相的析出有一定的抑止作用。但過高的鋁含量使合金的拉伸延性和斷裂韌性下降，并惡化合金的可鍛性。而過低的Al含量使上述有益作用不顯著，此外，還應(yīng)考慮到加入適當?shù)匿X有利于鉬或釩以中間合金的形式加入。
在所發(fā)明的合金中還可加入適量的共析型穩(wěn)定β相的元素鉻或鐵，加入一定量的鉻或鐵，可起到穩(wěn)定β相的作用，和固溶強化作用。但這類元素穩(wěn)定β相的能力較強，加入的量過多會使β相穩(wěn)定性過高，而且容易出現(xiàn)偏析和形成脆性金屬間化合物。所以當加入鉻和/或鐵時，鉻含量和鐵含量的總和不大于6%。
在所發(fā)明的合金中還可以加入適當?shù)闹行栽劁?，當加入鋯時，鋯的含量應(yīng)不大于2.5%。鋯在β型鈦合金中有微弱的穩(wěn)定β相作用和固溶強化作用，有一定的抑止β晶粒長大的作用，但過高的鋯含量不利于合金的可鍛性，降低合金的斷裂韌性，并有可能出現(xiàn)含鋯的化合物(例如Zr-Fe類化合物)。
與現(xiàn)有的鈦基高強高韌合金相比，本發(fā)明合金具有更好的強度、韌性、延性等綜合性能，這從下面將要提到的表1-表3和

圖1中可以看出。例如，與所說的TB2合金和Ti-10V-2Fe-3Al合金相比，在斷面尺寸相近的情況下，表3中所列本發(fā)明鈦合金，都具有更好的高強和高韌性的綜合匹配。而且，本發(fā)明合金的鍛造溫度還比TB2合金降低了150-200℃。
本發(fā)明合金采用常規(guī)的工業(yè)技術(shù)即可制備出來。即在海綿鈦中混入本發(fā)明所限定的其它合金元素金屬或中間合金，在真空或惰性氣氛下熔煉、重熔成鑄錠，隨后可通過鍛造、軋制、拉撥、擠壓等加工成形為所要求的半成品。再根據(jù)使用要求對半成品進行適當?shù)臒崽幚恚蛊涑蔀榫邆渌杈C合性能的最終成品。這種成品可以作為高強結(jié)構(gòu)件用于宇航或航空工業(yè)，或用作超高速離心機轉(zhuǎn)子等。
附圖1表明合金強度σb與斷裂韌性K1C之間的關(guān)系。圖中橫坐標為拉伸強度σb，不加括號的橫坐標數(shù)值的計量單位為MPa，括號內(nèi)數(shù)值的計量單位為KSi;圖中縱坐標為斷裂韌性K1C，不加括號的縱坐標數(shù)值的計量單位為MN·m-3/2，括號內(nèi)數(shù)值的計量單位為KSiin]]>)。圖中，通過圓形實心點·的直線，是根據(jù)美國Timet公司給出的Ti-10V-2Fe-3Al典型數(shù)據(jù)繪制的傾向線(引自《MAlloy Digest∶Ti-10V-2Fe-3Al，F(xiàn)illing Code∶Ti-80，December 1980》)。圖中方形點囗表示本發(fā)明范圍內(nèi)四種鈦合金的數(shù)據(jù)，這四種鈦合金的組分和性能數(shù)據(jù)已在表2中列出了，將方形點代表的性能同圓形實心點代表的性能對比可以清楚地看出，在強度σb相近的情況下，本發(fā)明合金的斷裂韌性K1C值均高于Ti-10V-2Fe-3Al合金;或者，在K1C值相近的情況下，本發(fā)明合金的強度值σb均高于Ti-10V-2Fe-3Al合金。
本發(fā)明的非限定性實施例列于表1及表2。表1和表2中給出了本發(fā)明合金組份范圍內(nèi)的若干鈦合金的名義成分，以及在不同熱處理條件下的室溫拉伸性能和斷裂韌性。為了便于比較，表1中還列出了名義成分在本發(fā)明范圍之外的若干鈦合金的有關(guān)數(shù)據(jù)，其中包括TB2合金及Ti-10V-2Fe-3Al合金。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，將本發(fā)明范圍內(nèi)綜合性能優(yōu)良的數(shù)種合金及其性能列于表3。








表3.本發(fā)明中綜合性能優(yōu)良的數(shù)種鈦合金

表1和表2中所列本發(fā)明范圍內(nèi)的合金，通過恰當?shù)臒崽幚?，都可達到約1200MPa的強度值，同時可獲得約50MN·m-3/2的斷裂韌性，并有良好的拉伸延性和較高的面縮值。表3中所列本發(fā)明范圍的幾種合金，通過恰當?shù)臒崽幚?，在達到約1200MPa的強度值的同時，都對應(yīng)著不小于60MN·m-3/2的斷裂韌性。其中，含有5%Mo 5%V、2%Cr、3%Al的5523-2爐號鈦合金，在σb為1224MPa時，K1C達84.3MN·m-3/2;在σb為1302MPa時，K1C達66.0MN·m-3/2。在高強狀態(tài)下的拉伸面縮值為57.8-62.0%。而表1中所列5583爐號的TB2合金，在δb＝1197-1261MPa時，K1C＝53.6-56.4MN·m-3/2，ψ＝34.2-43.6%。表1中所列的Ti-10V-2Fe-3Al合金在獲得1241MPa強度時，其典型的K1C值為53.8MN·m-3/2，拉伸面縮值為39%。
權(quán)利要求
1.一種添加合金元素鉬、釩、鋁、鉻的鈦基合金，本發(fā)明的特征是，所述合金元素的含量為3-7%鉬，3-7%釩，1.75-4.0%鋁，鉬含量和釩含量的總和為8-12%，所述的鈦基合金中還含有0-6%的鉻0-2.5%的鋯，0-2.5%的鐵，余量為含氧量小于0.2%的鈦，鉻含量和鐵含量的總和為0-6%，均按重量百分比計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基合金，其特征是含5%鉬，5%釩，2%鉻，3%鋁，其余為鈦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基合金，其特征是含5%鉬，5%釩，4%鉻，3%鋁，其余為鈦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基合金，其特征是含5%鉬，5%釩，2%鉻，3%鋁，2%鋯，其余為鈦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基合金，其特征是含5%鉬，3%釩，2%鉻，2%鋁，其余為鈦。
全文摘要
一組高強度高韌性鈦基合金，含有(重量百分比)3-7％Mo，3-7％V，1.75-4.0％Al，≤6％Cr，≤2.5％Zr，≤2.5％Fe，余量為含O
文檔編號C22C14/00GK1031569SQ87105768
公開日1989年3月8日 申請日期1987年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1987年8月24日
發(fā)明者陳海珊, 張翥, 郝瑞欣, 鄭桂鈞, 成玉英 申請人:北京有色金屬研究總院