CN107937754A - 一种抗疲劳钛合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗疲劳钛合金及其制造方法，该钛合金以C系钛合金为原本质体，经真空蒸发‑凝固处理后再在氩气保护下熔炼烧结，然后速冷凝固后又经热等静压处理，再经旋锻后机械加工，最终采用陶瓷磨料振动处理、陶瓷磨料磨粒流加工和传动部分喷丸强化而最终获得。本发明的抗疲劳钛合金纯净度高、致密性好、自身具有抗疲劳流线、本质抗疲劳、表面完整性好且具有压应力层。

Description

一种抗疲劳钛合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及钛合金原材料加工领域，尤其涉及一种抗疲劳钛合金及其制造方法。

背景技术

钛合金具有比强度高，中温性能好和延伸率高等显著优点，是现代工业中应用越来越广的金属材料。

根据相关研究，现有钛合金零件的失效模式主要是疲劳失效，例如航空叶片90％是由于高周疲劳断裂失效；85％钛合金结构件均是由于加工应力疲劳扩散断裂导致失效；另外还有部分钛合金是由于低周高应力(导致轻微塑性变形)疲劳失效，根本原因除了钛合金的本质性能外，还有广泛存在的冶炼不精，纯净度不高、致密度低等因素。因此钛合金的本质抗疲劳性能是现有技术中的一个痛点且难以克服。现有专利技术中有多种改善钛合金疲劳性能的方法，但无一不通过成份变化或表面改性来实现，这其中通过成份变化来改良钛合金疲劳性能的相当于新材料研发，众所周知，一项新材料出世，首先就需要对其稳定性、可靠性、基本物理化学性能以及适应工业生产的冶炼工艺进行试验，试验完成后需经历很长时间的实践检验，因此新材料研发的材料很难直接应用于工业生产；而表面改性材料可以改善表面耐磨耐蚀及耐疲劳性能，但无法改善钛合金的本质抗疲劳性能，当受到循环应力(无论高周低应力还是低周高应力)作用时，仍然无法起到抗疲劳的作用。

因此，市面上急需一种纯净度高、致密性好、自身具有抗疲劳流线、本质抗疲劳、表面完整性好且具有压应力层的抗疲劳钛合金及其制造方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种纯净度高、致密性好、自身具有抗疲劳流线、本质抗疲劳、表面完整性好且具有压应力层的抗疲劳钛合金及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种抗疲劳钛合金的制造方法，包括以下步骤：

1)生产前准备

①原材料准备：按重量份准备C系钛合金锭100份；

②改性材料准备：准备足量高纯氩气、足量喷丸用陶瓷丸；

③工装及设备准备：氧化铝陶瓷坩埚、设置有电磁搅拌装置及循环水冷却装置的真空底加热熔炼炉、与真空底加热熔炼炉炉腔顶部循环水冷却装置匹配且内置循环水通路的氧化铝陶瓷收集皿、热等静压炉、钛合金锭模具、设置有旋转装置的真空锻压炉；

2)钛合金准备

①将阶段1)中步骤①准备的C系钛合金锭表面采用0.5MPa、0.1A的陶瓷丸喷丸工艺处理，获得表面活化洁净钛合金；

3)改性

①将阶段2)获得的表面活化洁净钛合金盛放在氧化铝陶瓷坩埚中，然后将氧化铝陶瓷坩埚放入真空底加热熔炼炉；

②将氧化铝陶瓷收集皿安装在真空底加热熔炼炉炉腔的顶部并与循环水冷却装置匹配；

③抽真空至1×10^-2Pa-1×10^-3Pa，然后通过底加热将氧化铝陶瓷坩埚加热至1820℃-1850℃，到温后开启电磁搅拌，停止抽真空的机械泵运转，维持罗茨泵运转，控制真空度在1×10^-1Pa-5×10^-1Pa；

④到温后3min-5min开启循环水冷却装置，升腾的合金蒸汽被收集在氧化铝陶瓷收集皿中，以固体颗粒形式堆聚，至蒸汽完全消失后关闭所有设备，然后采用5bar-6bar的气压通入高纯氩气，至炉温冷却至室温时开炉取出氧化铝陶瓷坩埚，然后将氧化铝陶瓷收集皿置于原氧化铝陶瓷坩埚放置区域；

⑤在炉内填充满高纯氩气，将步骤④摆放的氧化铝陶瓷收集皿通过底加热加热至1820℃-1850℃，至其内合金完全熔化，获得纯净熔池；

⑥将步骤⑤获得的纯净熔池在保护气氛氩气的保护下浇涛至钛合金锭模具中，冷却后脱模，获得预制备钛合金锭；

⑦将步骤⑥获得的预制备钛合金零件采用热等静压炉，以100MPa-120MPa的压力进行热等静压处理，完成后即获得致密钛合金锭；

⑧将步骤⑦获得的致密钛合金锭采用设置有旋转装置的真空锻压炉进行旋锻拉伸，拉伸比例35％-40％，旋转角度160°/m-180°/m，获得旋锻合金棒；

⑨将步骤⑧获得的旋锻合金棒采用机械方式加工成所需钛合金零件，然后将获得的钛合金零件采用陶瓷磨料振动处理和陶瓷磨料磨粒流加工对零件表面进行完整性改善，获得预制备钛合金零件；

⑩将步骤⑨获得的预制备钛合金零件传动部分采用采用3MPa、0.20A-0.28A的陶瓷丸进行喷丸处理，即获得所需抗疲劳钛合金。

采用上述方法制造的抗疲劳钛合金，以C系钛合金为原本质体，经真空蒸发-凝固处理后再在氩气保护下熔炼烧结，然后速冷凝固后又经热等静压处理，再经旋锻后机械加工，最终采用陶瓷磨料振动处理、陶瓷磨料磨粒流加工和传动部分喷丸强化而最终获得。

与现技术比较，本发明由于采用了上述方案，具有以下优点：(1)C系钛合金即α-β双相钛合金，合金是一种综合性能优良的钛合金，也是现有技术中应用最广的一类钛合金，该合金不但具有较高的强度、断裂韧性、热稳定性及疲劳性能，而且淬透性高、热加工性能好，由于双相钛合金原始冶炼固有问题的原因，熔炼过程如控制不当，极易产生偏析，本发明通过将其合金锭雾化后再收集，完全消除了枝晶偏析(原理等同于粉末冶金，但粉末冶金的材料不够致密且脆性较大)及原材料中曾经吸收的碳、氢、氧、氮等导致钛合金脆化及易加工硬化的元素，极大地提升了钛合金的纯净度，呈现出理想状态的钛合金，由于C系钛合金本身强化相多且弥散，通过本发明处理后则更加均匀，因此不易受到晶间腐蚀及热偏析影响(影响钛合金耐磨性能的除了钛本身的化学物理性质外还有个主要因素就是偏析的钛合金易在摩擦磨损中被中间介质腐蚀或摩擦生热后加重偏析，导致摩擦面硬度及金相不均匀而失效)，从而使本发明的钛合金收获了相较于常规钛合金明显更优的抗疲劳、耐磨性和抗冲击性能。(2)通过热等静压完全消除了内存于钛合金铸锭内部的多种缺陷，使最终获得的钛合金整体完整性好，然后又通过现有技术中未应用于钛合金加工技术的旋锻拉伸工艺，使钛合金棒材获得了均匀的螺旋流线，这是一种能适应最多角度应力的流线，使本发明的钛合金抗疲劳能力强，实际使用寿命更高、适用范围更广。(3)本发明使用了本质改性处理，最终成型的钛合金除了拥有优于现有技术中钛合金的物理性能外，还可与常规钛合金改性工艺共存，即存在再次改性优化的可能。

具体实施方式

实施例1：

一种抗疲劳钛合金，以C系钛合金为原本质体，经真空蒸发-凝固处理后再在氩气保护下熔炼烧结，然后速冷凝固后又经热等静压处理，再经旋锻后机械加工，最终采用陶瓷磨料振动处理、陶瓷磨料磨粒流加工和传动部分喷丸强化而最终获得。

上述抗疲劳钛合金的制造方法，包括以下步骤：

1)生产前准备

①原材料准备：按重量份准备C系钛合金锭100Kg；

②改性材料准备：准备足量高纯氩气、足量喷丸用陶瓷丸；

③工装及设备准备：氧化铝陶瓷坩埚、设置有电磁搅拌装置及循环水冷却装置的真空底加热熔炼炉、与真空底加热熔炼炉炉腔顶部循环水冷却装置匹配且内置循环水通路的氧化铝陶瓷收集皿、热等静压炉、钛合金锭模具、设置有旋转装置的真空锻压炉；

2)钛合金准备

①将阶段1)中步骤①准备的C系钛合金锭表面采用0.5MPa、0.1A的陶瓷丸喷丸工艺处理，获得表面活化洁净钛合金；

3)改性

①将阶段2)获得的表面活化洁净钛合金盛放在氧化铝陶瓷坩埚中，然后将氧化铝陶瓷坩埚放入真空底加热熔炼炉；

②将氧化铝陶瓷收集皿安装在真空底加热熔炼炉炉腔的顶部并与循环水冷却装置匹配；

③抽真空至1×10^-2Pa-1×10^-3Pa，然后通过底加热将氧化铝陶瓷坩埚加热至1820℃-1850℃，到温后开启电磁搅拌，停止抽真空的机械泵运转，维持罗茨泵运转，控制真空度在1×10^-1Pa-5×10^-1Pa；

④到温后3min-5min开启循环水冷却装置，升腾的合金蒸汽被收集在氧化铝陶瓷收集皿中，以固体颗粒形式堆聚，至蒸汽完全消失后关闭所有设备，然后采用5bar-6bar的气压通入高纯氩气，至炉温冷却至室温时开炉取出氧化铝陶瓷坩埚，然后将氧化铝陶瓷收集皿置于原氧化铝陶瓷坩埚放置区域；

⑤在炉内填充满高纯氩气，将步骤④摆放的氧化铝陶瓷收集皿通过底加热加热至1820℃-1850℃，至其内合金完全熔化，获得纯净熔池；

⑥将步骤⑤获得的纯净熔池在保护气氛氩气的保护下浇涛至钛合金锭模具中，冷却后脱模，获得预制备钛合金锭；

⑦将步骤⑥获得的预制备钛合金零件采用热等静压炉，以100MPa-120MPa的压力进行热等静压处理，完成后即获得致密钛合金锭；

⑧将步骤⑦获得的致密钛合金锭采用设置有旋转装置的真空锻压炉进行旋锻拉伸，拉伸比例35％-40％，旋转角度160°/m-180°/m，获得旋锻合金棒；

⑨将步骤⑧获得的旋锻合金棒采用机械方式加工成所需钛合金零件，然后将获得的钛合金零件采用陶瓷磨料振动处理和陶瓷磨料磨粒流加工对零件表面进行完整性改善，获得预制备钛合金零件；

⑩将步骤⑨获得的预制备钛合金零件传动部分采用采用3MPa、0.20A-0.28A的陶瓷丸进行喷丸处理，即获得所需抗疲劳钛合金。

实施例2：

整体与实施例1一致，差异之处在于：

一种抗疲劳钛合金的制造方法，包括以下步骤：

3)改性

③抽真空至1×10^-2Pa，然后通过底加热将氧化铝陶瓷坩埚加热至1820℃，到温后开启电磁搅拌，停止抽真空的机械泵运转，维持罗茨泵运转，控制真空度在1×10^-1Pa-5×10^-1Pa；

④到温后3min开启循环水冷却装置，升腾的合金蒸汽被收集在氧化铝陶瓷收集皿中，以固体颗粒形式堆聚，至蒸汽完全消失后关闭所有设备，然后采用5bar的气压通入高纯氩气，至炉温冷却至室温时开炉取出氧化铝陶瓷坩埚，然后将氧化铝陶瓷收集皿置于原氧化铝陶瓷坩埚放置区域；

⑤在炉内填充满高纯氩气，将步骤④摆放的氧化铝陶瓷收集皿通过底加热加热至1820℃，至其内合金完全熔化，获得纯净熔池；

⑦将步骤⑥获得的预制备钛合金零件采用热等静压炉，以100MPa的压力进行热等静压处理，完成后即获得致密钛合金锭；

⑧将步骤⑦获得的致密钛合金锭采用设置有旋转装置的真空锻压炉进行旋锻拉伸，拉伸比例35％，旋转角度160°/m，获得旋锻合金棒；

采用本实施例生产的钛合金，其抗疲劳性能会稍差于实施例1所生产的钛合金。

对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种抗疲劳钛合金的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1)生产前准备

①原材料准备：按重量份准备C系钛合金锭100份；

②改性材料准备：准备足量高纯氩气、足量喷丸用陶瓷丸；

③工装及设备准备：氧化铝陶瓷坩埚、设置有电磁搅拌装置及循环水冷却装置的真空底加热熔炼炉、与真空底加热熔炼炉炉腔顶部循环水冷却装置匹配且内置循环水通路的氧化铝陶瓷收集皿、热等静压炉、钛合金锭模具、设置有旋转装置的真空锻压炉；

2)钛合金准备

①将阶段1)中步骤①准备的C系钛合金锭表面采用0.5MPa、0.1A的陶瓷丸喷丸工艺处理，获得表面活化洁净钛合金；

3)改性

①将阶段2)获得的表面活化洁净钛合金盛放在氧化铝陶瓷坩埚中，然后将氧化铝陶瓷坩埚放入真空底加热熔炼炉；

②将氧化铝陶瓷收集皿安装在真空底加热熔炼炉炉腔的顶部并与循环水冷却装置匹配；

③抽真空至1×10^-2Pa-1×10^-3Pa，然后通过底加热将氧化铝陶瓷坩埚加热至1820℃-1850℃，到温后开启电磁搅拌，停止抽真空的机械泵运转，维持罗茨泵运转，控制真空度在1×10^-1Pa-5×10^-1Pa；

④到温后3min-5min开启循环水冷却装置，升腾的合金蒸汽被收集在氧化铝陶瓷收集皿中，以固体颗粒形式堆聚，至蒸汽完全消失后关闭所有设备，然后采用5bar-6bar的气压通入高纯氩气，至炉温冷却至室温时开炉取出氧化铝陶瓷坩埚，然后将氧化铝陶瓷收集皿置于原氧化铝陶瓷坩埚放置区域；

⑤在炉内填充满高纯氩气，将步骤④摆放的氧化铝陶瓷收集皿通过底加热加热至1820℃-1850℃，至其内合金完全熔化，获得纯净熔池；

⑥将步骤⑤获得的纯净熔池在保护气氛氩气的保护下浇涛至钛合金锭模具中，冷却后脱模，获得预制备钛合金锭；

⑦将步骤⑥获得的预制备钛合金零件采用热等静压炉，以100MPa-120MPa的压力进行热等静压处理，完成后即获得致密钛合金锭；

⑧将步骤⑦获得的致密钛合金锭采用设置有旋转装置的真空锻压炉进行旋锻拉伸，拉伸比例35％-40％，旋转角度160°/m-180°/m，获得旋锻合金棒；

⑨将步骤⑧获得的旋锻合金棒采用机械方式加工成所需钛合金零件，然后将获得的钛合金零件采用陶瓷磨料振动处理和陶瓷磨料磨粒流加工对零件表面进行完整性改善，获得预制备钛合金零件；

⑩将步骤⑨获得的预制备钛合金零件传动部分采用采用3MPa、0.20A-0.28A的陶瓷丸进行喷丸处理，即获得所需抗疲劳钛合金。

2.一种采用权利要求1所述方法制造的抗疲劳钛合金，其特征在于：该钛合金以C系钛合金为原本质体，经真空蒸发-凝固处理后再在氩气保护下熔炼烧结，然后速冷凝固后又经热等静压处理，再经旋锻后机械加工，最终采用陶瓷磨料振动处理、陶瓷磨料磨粒流加工和传动部分喷丸强化而最终获得。