CN105803258A - 高强高韧钛合金 - Google Patents

Abstract

一种高强高韧钛合金，它包括以下质量百分比的组分：钒/V为1.0％～2.0％，钼/Mo为1.0％～2.0％，铁/Fe为1.5％～2.5％，铝/Al为5.0％～6.5％，铌/Nb为2.0％～3.0％，锆/Zr为0.9％～2.5％，其余为钛，要求杂质含量小于0.4％；与现有技术相比，本发明具有动态载荷性能较好及热强度性能较好的特点。

Description

高强高韧钛合金

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，特别是涉及一种高强高韧钛合金。

背景技术

钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。前者有钼、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在0.015％以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。钛是同素异构体，熔点为1660℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金(titaniumalloys)。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。

α钛合金：它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。

β钛合金：它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

α+β钛合金：它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。

目前，所熟知的钛合金，如：一种钛合金(美国专利公开号№5160554)，其化学成分(％重量)为1.5-3.5α当量的稳定剂，5-7当量的钒，5-7当量的钼，5-7当量的铁，其中为钛。这种合金在热强化处理后具有较高的强度(达1500МПа).但它不具备足够的塑性，另外它的焊接性能不好；另一种钛合金(俄罗斯专利公开号№2549804)，其类型为钛-铝-钒-氧，这种合金应用于装甲材料的生产，这种合金通过加氧提高合金的粘度和塑性，但由于其弹性模量较高，导致其动力性能不好；另一种钛合金(俄罗斯专利公开号№1131234)，其类型为钛-铝-钼-钒-铬-铁-锆，其中还包括偏高含量的氢、氮和硅。这种合金不能进行焊接，同时其塑性偏低；另一种钛合金(俄罗斯专利公开号№1508594)，其类型为钛-铝-钼-钒-铬-钽-铌，由于其合金中加入了较高含量的钽，较大程度增加了合金的成本；另一种钛合金(俄罗斯专利公开号№1593259)，其类型为钛-铝-钼-钒-锆-铬-铁-硅-氮-氢-锡，由于其合金中加入了4％的锡，在提高其热强度的同时，其焊接性和焊接结构的降低；另一种钛合金(美国专利公开号№5509979)，它是一种钛-铝-钒-铁-钼类型钛合金，在合金中另行加入了0.2％氧。这种合金拥有较高硬度，比较容易打磨，适合用于纪念品的制造，不适合用于焊接结构产品；另一种钛合金(乌克兰专利公开号№7385)，其类型为钛-铝-铌-锆-铁合金。该种合金具有较高的抗腐蚀性，焊接性，但其强度不够。

故现有技术高强度钛合金的不足之处是弹性模量偏高,这个特性导致其动力载荷性能不足，其热强度性能也不够，综合性能较差。

发明内容

本发明针对以上问题提供一种动态载荷性能较好及热强度性能较好的高强高韧钛合金。

本发明解决以上问题所用的技术方案是：提供一种高强度钛合金，它包括以下质量百分比的组分：

钒/V为1.0％～2.0％，钼/Mo为1.0％～2.0％，铁/Fe为1.5％～2.5％，铝/Al为5.0％～6.5％，铌/Nb为2.0％～3.0％，锆/Zr为0.9％～2.5％，其余为钛，要求杂质含量小于0.4％。

采用以上组分配比后，铝、铁、钼和钒在合金中的含量合理情况下，它们是有效的加强剂，其中铝是钛合金中最有效、最便宜的钛合金增强剂，但当其含量超过7％时，就会产生一种3Al金属间化合物质，这将降低合金的塑性；钼能够细化合金的铸态显微组织，其对合金强度和塑性影响；铁含量的确定受到二个因素的制约，一是在β相位区对强度和稳定性的影响，二是可能导致形成铁元素中间物质及塑性的下降；钒在钛合金中可以作为稳定剂和强化剂，使钛合金具有很好的延展性和可塑性；而锆和铌为中性增强剂，它们能够提高合金强度，虽然性能不明显，但它们能够提高合金的冲击粘度，降低弹性模量，这将在动态载荷作用下显示出重要的性能优势，考虑到铌的成本偏高，在合金中降低了其含量，并同时提高了锆的含量，从而在不降低合金性能的情况下达到较好的经济性，并且锆在钛合金中还起到金属细晶粒结构的改性剂的作用。在本发明中铝成分提高到了接近7％，并对其它合金进行合理配置后，本发明从基体组织上看为α+β钛合金，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明这样的组分配比后，在性能更好的同时，省去了铬，并降低了铌的含量，从而大幅降低成本。

2、本发明合金在退火工况下及在热强化工况下，平均强度达到1100Мpа及以上，同时延伸率的平均值可达11％(现有技术高强高韧钛合金延伸率的平均值在8％左右)以上，故具有较高的物理性能，高比强度；并且在高温环境下仍然具备较高的机械性能和疲劳强度，具有较好的动态载荷性能、热强度性能和热疲劳强度，可以应用于航天、航空、舰艇建造、炮管及其它军事装备制造。

3、本发明合金具有非常良好的热加工性能，可以使用轧制、锻造或压制进行半成品的加工，故综合性能较好。

作为优选，所述的铁/Fe为2.2％～2.5％。

所述的锆/Zr为0.9％～2.0％。

所述的钼/Mo为1.0％～1.5％。

所述的铝/Al为6.0％～6.5％。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步描述。

一种高强高韧钛合金，它包括以下质量百分比的组分：

钒/V为1.0％～2.0％，钼/Mo为1.0％～2.0％，铁/Fe为1.5％～2.5％，铝/Al为5.0％～6.5％，铌/Nb为2.0％～3.0％，锆/Zr为0.9％～2.5％，其余为钛，要求杂质含量小于0.4％。

熔炼号	Al(％)	V(％)	Fe(％)	Zr(％)	Nb(％)	Mo(％)
							1号	5.4	1.9	1.9	1.3	2.65	1.5
2号	6.0	1.0	1.5	0.9	2.0	1.0
							3号	5.6	1.53	2.07	0.91	2.5	1.23
4号	5.0	1.6	2.2	1.5	3.0	1.5
							5号	5.6	1.83	2.07	1.09	2.40	1.23
6号	6.5	2.0	2.5	2.5	2.5	2.0

上述不同组分的合金用真空电弧炉进行熔炼，并在完成锻造和轧制后，进行了相关的物理性能试验，其试验结果如下：

在退火工况下机械物理性能

在热强化处理工况下机械物理性能

从上述的试验可以看出本发明平均强度达到1100Мpа及以上，同时延伸率的平均值可达11％以上，从而正真做到高强韧度的要求。

本发明可以用海绵钛及多元中间合金，使用现有的任何熔炼方法均可完成。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例，本发明不仅限于以上实施例还允许有其它结构变化，凡在本发明独立权要求范围内变化的，均属本发明保护范围。

Claims (5)

1.一种高强高韧钛合金，其特征在于：它包括以下质量百分比的组分：

钒/V为1.0％～2.0％，钼/Mo为1.0％～2.0％，铁/Fe为1.5％～2.5％，铝/Al为5.0％～6.5％，铌/Nb为2.0％～3.0％，锆/Zr为0.9％～2.5％，其余为钛，要求杂质含量小于0.4％。

2.根据权利要求1所述的高强高韧钛合金，其特征在于：所述的铁/Fe为2.2％～2.5％。

3.根据权利要求1所述的高强高韧钛合金，其特征在于：所述的锆/Zr为0.9％～2.0％。

4.根据权利要求1所述的高强高韧钛合金，其特征在于：所述的钼/Mo为1.0％～1.5％。

5.根据权利要求1所述的高强高韧钛合金，其特征在于：所述的铝/Al为6.0％～6.5％。