CN111826550A - 一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.0％～7.0％，Al 0.7％～1.5％，Zr 0.2％～2％，Mo 0.6％～1.5％，Nb 0.2％～2％，余量为Ti和不可避免的杂质；该钛合金经退火处理后的抗拉强度为670MPa～750MPa，屈服强度为520MPa～650MPa，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率不高于0.08mm/a。本发明通过调整钛合金中各元素的含量，使中等强度耐硝酸腐蚀钛合金具有优异的抗拉强度、屈服强度、耐腐蚀性能和冲击韧性，同时还具备优良的冷热加工性能，能够制成各种加工产品，适用于核工业及化工领域相关装备的制造。
Description
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金。
背景技术
钛及钛合金具有比强度高、无磁性、热膨胀系数低、耐腐蚀等一系列性能优点，其作为一种重要的金属结构材料不仅被应用于航空航天与海洋工程中，而且在核工业和化工领域中得到广泛的应用。其中，在强氧化性的硝酸溶液中，钛及钛合金具有较好的抗腐蚀性能，特别是含有一定含量钽元素的钛合金，例如日本神户制钢研制的KS50Ta合金、我国研制的Ti35和Ti-55C合金，其抗硝酸腐蚀性能与核用超低碳不锈钢相当，但是KS50Ta、Ti35、Ti-55C等合金的强度较低，抗拉强度一般低于600MPa，只适用于制造管道、罐体容器等部件，无法用于硝酸腐蚀环境中传动类部件的制造。对于KS50Ta、Ti35、Ti-55C这一类耐硝酸腐蚀钛合金，主要通过在表面快速形成钽的氧化物(Ta2O5)层来抵抗硝酸对基体的进一步腐蚀，当合金中含有其他合金元素，特别是Al时，将会减缓Ta2O5层的形成；随着其他合金元素含量的增加，腐蚀性能将会急剧恶化。
公开号为CN 1117085A的专利中提到了一种550MPa级抗硝酸腐蚀钛合金，具体为Ti-55C合金，该合金是在KS50Ta合金的基础上添加了少量的Al、Mo合金元素，使合金强度提高了100MPa～200MPa，其抗拉强度最高可达到670MPa，屈服强度为451MPa，但其强度依然不满足传动类部件的强度要求(抗拉强度不低于650MPa，屈服强度不低于500MPa)。虽然Ti-55C合金的板材强度最高可达到670MPa，但其屈服强度只有451MPa，不满足传动类部件的强度要求。因此需要一种既有优异的强度，又有优异的耐腐蚀性能的钛合金。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金。该钛合金经退火处理后的抗拉强度为670MPa～750MPa，屈服强度为520MPa～650MPa，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率不高于0.08mm/a，既有优异的强度，又有优异的耐腐蚀性能，具有优良的冲击韧性和冷热加工性，满足核工业和化工领域应用的要求。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.0％～7.0％，Al 0.7％～1.5％，Zr 0.2％～2％，Mo 0.6％～1.5％，Nb 0.2％～2％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述钛合金经退火处理后的抗拉强度为670MPa～750MPa，屈服强度为520MPa～650MPa，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率不高于0.08mm/a。
本发明的钛合金中含有5.0％～7.0％的Ta，Ta的加入主要为了提高钛合金的耐硝酸腐蚀性能，Ta含量越高耐腐蚀性能越好，当Ta含量低于5.0％则使合金耐腐蚀性能不满足要求，高于7.0％则增加合金制备难度并使成本提高；本发明合金中含有0.7％～1.5％的Al、0.2％～2％的Zr、0.6％～1.5％的Mo和0.2％～2％的Nb，Al、Zr、Mo和Nb的加入主要为了提高合金的强度，对合金强度的影响由强到弱排序依次为Al>Mo>Nb>Zr，随着合金元素含量的增加，强度升高的同时耐硝酸腐蚀性将会降低，对耐腐蚀性能的影响由强到弱排序依次为Al>Mo>Zr>Nb，在各合金元素对含钽钛合金耐腐蚀性能影响的前期研究基础上，本发明结合多合金元素综合强化理论，通过对各元素含量的精确控制，实现了对钛合金的抗拉强度、屈服强度、耐蚀性能和冲击韧性的综合提升。
上述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.5％，Al 0.7％，Zr 1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.0％，Al 0.9％，Zr 2.0％，Mo 1.0％，Nb 0.7％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 6.0％，Al 1.1％，Zr 1.5％，Mo 0.6％，Nb 2.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 6.5％，Al 1.3％，Zr 0.6％，Mo 1.5％，Nb 0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 7.0％，Al 1.5％，Zr 0.2％，Mo 1.3％，Nb 1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，所述退火处理过程为：在温度为650℃～900℃的条件下保温0.5h～2h后空冷。本发明通过退火处理，使钛合金获得再结晶组织，保证了钛合金的显微组织更加均匀和细小，提升了钛合金的性能，通过控制退火处理的参数，保证了钛合金获得最优的退火处理效果，从而保证了退火处理后的钛合金具有优异的抗拉强度、屈服强度、耐蚀性能和冲击韧性，避免了温度过低导致的无法实现再结晶的不足，避免了温度过高超过钛合金相变温度导致的晶粒剧烈长大的不足，避免了保温时间过短导致的结晶不完全的不足，避免了保温时间过长导致的组织可能发生进一步的粗化的不足。
本发明中等强度耐硝酸腐蚀钛合金的制备过程为：采用Ti-Ta中间合金、Ti-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制成电极，然后将电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，得到铸锭，再将铸锭在进行逐级降温锻造，随后进行成品加工，得到中等强度耐硝酸腐蚀钛合金。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明中等强度耐硝酸腐蚀钛合金其抗拉强度为670MPa～750MPa，屈服强度为520MPa～650MPa，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率不高于0.08mm/a，冲击韧性不低于500kJ/m2；本发明中等强度耐硝酸腐蚀钛合金既有优异的强度，又有优异的耐腐蚀性能。
2、本发明中等强度耐硝酸腐蚀钛合金易于制备，成分简单且不易发生偏析，组织均匀且稳定，具有优异的冷热加工性，能够制成棒材、铸件、板材、管材和锻件等加工产品，适用于核工业及化工领域相关装备的制造。
3、本发明中等强度耐硝酸腐蚀钛合金与已有的KS50Ta、Ti35、Ti-55C等钛合金相比，抗硝酸腐蚀性能提升，同时抗拉强度和屈服强度均提高100MPa～300MPa，满足了硝酸腐蚀环境中传动类部件的制造要求。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒的金相组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta5.5％，Al 0.7％，Zr 1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将Ti-50％Ta中间合金、Ti-30％Mo中间合金、Al-70％Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛混合后进行压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，得到锻造后的铸锭；
步骤四、将步骤三中得到的锻造后的铸锭在850℃下进行轧制棒坯改锻，随后在870℃下进行成品轧制，得到横截面直径为20mm的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒；
步骤五、将步骤四中得到的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒加热至800℃后保温1h，然后进行空冷，得到退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒。
经检测，本实施例的退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒，在室温下的力学性能为：抗拉强度为676MPa，屈服强度为531MPa，断后伸长率为24％，冲击韧性为870kJ/m2；该钛合金棒在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.045mm/a。
图1为本实施例退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒的金相组织图，从图1可以看出，弥散分布的白色和浅灰色区域为α相，α相之间的深灰色部分为β转变组织，该钛合金为典型的近α型钛合金，组织由约80％的等轴α相和约20％的β转变组织组成，整体组织均匀细小无偏析，等轴α相平均尺寸不足10μm。
对比例1
本对比例的钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.5％，Al 0.3％，Zr1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本对比例包括以下步骤：
步骤一、将Ti-50％Ta中间合金、Ti-30％Mo中间合金、Al-70％Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛混合后进行压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，得到锻造后的铸锭；
步骤四、将步骤三中得到的锻造后的铸锭在850℃下进行轧制棒坯改锻，随后在870℃下进行成品轧制，得到横截面直径为20mm的钛合金棒；
步骤五、将步骤四中得到的钛合金棒加热至800℃后保温1h，然后进行空冷，得到退火处理后的钛合金棒。
经检测，本对比例的退火处理后的钛合金棒，在室温下的力学性能为：抗拉强度为645MPa，屈服强度为493MPa，断后伸长率为24.5％，冲击韧性为850kJ/m2；该钛合金棒在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.049mm/a。
通过对比例1与实施例1对比可以看出，由于Al的质量百分数小于0.7％，钛合金棒的抗拉强度和屈服强度降低，不满足传动类部件的强度要求。
对比例2
本对比例的钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.5％，Al 1.8％，Zr1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本对比例包括以下步骤：
步骤一、将Ti-50％Ta中间合金、Ti-30％Mo中间合金、Al-70％Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛混合后进行压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，得到锻造后的铸锭；
步骤四、将步骤三中得到的锻造后的铸锭在850℃下进行轧制棒坯改锻，随后在870℃下进行成品轧制，得到横截面直径为20mm的钛合金棒；
步骤五、将步骤四中得到的钛合金棒加热至800℃后保温1h，然后进行空冷，得到退火处理后的钛合金棒。
经检测，本对比例的退火处理后的钛合金棒，在室温下的力学性能为：抗拉强度为722MPa，屈服强度为578MPa，断后伸长率为23％，冲击韧性为850kJ/m2；该钛合金棒在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.102mm/a。
通过对比例2与实施例1对比可以看出，由于Al的质量百分数大于1.5％，钛合金棒的耐腐蚀性能不足，腐蚀速率高于要求的0.08mm/a。
通过实施例1与对比例1和对比例2对比可以看出，当Al的质量百分数小于0.7％时，得到的钛合金棒的抗拉强度和屈服强度不能达到要求，当Al的质量百分数大于1.5％时，得到的钛合金棒的的耐腐蚀性能不能达到要求。
实施例2
本实施例中等强度耐硝酸腐蚀钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.0％，Al 0.9％，Zr 2.0％，Mo 1.0％，Nb 0.7％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将Ti-50％Ta中间合金、Ti-30％Mo中间合金、Al-70％Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛混合后进行压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，得到锻造后的铸锭；
步骤四、将步骤三中得到的锻造后的铸锭在900℃下进行轧制棒坯改锻，随后在830℃下进行成品轧制，得到横截面直径为20mm的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒；
步骤五、将步骤四中得到的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒加热至900℃后保温0.5h，然后进行空冷，得到退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒。
经检测，本实施例的退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒，在室温下的力学性能为：抗拉强度为682MPa，屈服强度为549MPa，断后伸长率为24％，冲击韧性为855kJ/m2；该钛合金棒在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.057mm/a。
实施例3
本实施例中等强度耐硝酸腐蚀钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 6.0％，Al 1.1％，Zr 1.5％，Mo 0.6％，Nb 2.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将Ti-50％Ta中间合金、Ti-30％Mo中间合金、Al-70％Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛混合后进行压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，得到锻造后的铸锭；
步骤四、将步骤三中得到的锻造后的铸锭在870℃下进行轧制棒坯改锻，随后在850℃下进行成品轧制，得到横截面直径为20mm的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒；
步骤五、将步骤四中得到的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒加热至700℃后保温1.5h，然后进行空冷，得到退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒。
经检测，本实施例的退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒，在室温下的力学性能为：抗拉强度为702MPa，屈服强度为571MPa，断后伸长率为22％，冲击韧性为790kJ/m2；该钛合金棒在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.066mm/a。
实施例4
本实施例中等强度耐硝酸腐蚀钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 6.5％，Al 1.3％，Zr 0.6％，Mo 1.5％，Nb 0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将Ti-50％Ta中间合金、Ti-30％Mo中间合金、Al-70％Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛混合后进行压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，得到锻造后的铸锭；
步骤四、将步骤三中得到的锻造后的铸锭在880℃下进行轧制棒坯改锻，随后在840℃下进行成品轧制，得到横截面直径为20mm的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒；
步骤五、将步骤四中得到的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒加热至650℃后保温2h，然后进行空冷，得到退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒。
经检测，本实施例的退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒，在室温下的力学性能为：抗拉强度为729MPa，屈服强度为603MPa，断后伸长率为22％，冲击韧性为760kJ/m2；该钛合金棒在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.071mm/a。
实施例5
本实施例中等强度耐硝酸腐蚀钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 7.0％，Al 1.5％，Zr 0.2％，Mo 1.3％，Nb 1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将Ti-50％Ta中间合金、Ti-30％Mo中间合金、Al-70％Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛混合后进行压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，得到锻造后的铸锭；
步骤四、将步骤三中得到的锻造后的铸锭在860℃下进行轧制棒坯改锻，随后在860℃下进行成品轧制，得到横截面直径为20mm的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒；
步骤五、将步骤四中得到的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒加热至900℃后保温0.5h，然后进行空冷，得到退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒。
经检测，本实施例的退火处理后的中等强度耐硝酸腐蚀钛合金棒，在室温下的力学性能为：抗拉强度为743MPa，屈服强度为638MPa，断后伸长率为21％，冲击韧性为710kJ/m2；该钛合金棒在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.079mm/a。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.0％～7.0％，Al 0.7％～1.5％，Zr 0.2％～2％，Mo 0.6％～1.5％，Nb 0.2％～2％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述钛合金经退火处理后的抗拉强度为670MPa～750MPa，屈服强度为520MPa～650MPa，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率不高于0.08mm/a。
2.根据权利要求1所述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.5％，Al 0.7％，Zr 1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5.0％，Al 0.9％，Zr 2.0％，Mo 1.0％，Nb 0.7％，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 6.0％，Al 1.1％，Zr 1.5％，Mo 0.6％，Nb 2.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 6.5％，Al 1.3％，Zr 0.6％，Mo 1.5％，Nb 0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 7.0％，Al 1.5％，Zr 0.2％，Mo 1.3％，Nb 1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，所述退火处理过程为：在温度为650℃～900℃的条件下保温0.5h～2h后空冷。
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