專(zhuān)利名稱(chēng)：復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種金屬材料技術(shù)領(lǐng)域的鈦合金及其制備方法，具體的說(shuō)， 涉及的是一種復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，提高航空效率及降低飛行成本對(duì)飛行器用結(jié) 構(gòu)材料提出了更高的要求。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，高強(qiáng)度(室溫抗拉強(qiáng)度大于 1000MPa)、高彈性模量(彈性模量高于120GPa)及高韌性的鈦合金，正成為當(dāng)前 高技術(shù)新材料領(lǐng)域倍受重視的新型結(jié)構(gòu)材料。
減輕材料比重可以提高飛機(jī)的推重比，增加飛行距離和降低燃料費(fèi)用。飛機(jī) 結(jié)構(gòu)件的一個(gè)主要減重方法就是采用比強(qiáng)度高、綜合性能好的a + e型鈦合金。 相對(duì)于其他高強(qiáng)度工程材料，鈦合金的彈性模量較低，使得按剛度設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)件 比按強(qiáng)度設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)件厚大笨重。
超聲波細(xì)胞破碎儀的探頭采用傳統(tǒng)的中強(qiáng)度鈦合金Ti-6A1-4V，彈性模量較 低，難以制作尺寸更小的探頭，使用范圍受到限制，同時(shí)由于其耐磨性不夠好， 導(dǎo)致探頭磨損嚴(yán)重，影響破碎效果。同時(shí)，提高導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)有利于散熱，將會(huì)延 長(zhǎng)探頭的壽命。
航天衛(wèi)星的天線(xiàn)支撐部件在太空中需要經(jīng)受高低溫交變的復(fù)雜環(huán)境，對(duì)尺寸 穩(wěn)定性要求高。因此，在較大的溫度范圍內(nèi)保持低的線(xiàn)膨脹系數(shù)，才能為天線(xiàn)提 供穩(wěn)定可靠的支撐。
因此> 如何進(jìn)一步提高a+e型鈦合金的綜合性能，低成本制備出高強(qiáng)度高 彈性模量的鈦合金， 一直是研究者關(guān)心的問(wèn)題。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專(zhuān)利(公開(kāi))號(hào)為CN1978681，專(zhuān)利名 稱(chēng)為一種高強(qiáng)度高彈性模量的鈦合金，該專(zhuān)利采用外加法加入鈦硼中間合金TiB 提高鈦合金的模量，雖然獲得了高強(qiáng)度高彈性模量的鈦合金，但是其采用的鈦合 金的合金元素成本高；外加法加入增強(qiáng)相，工藝復(fù)雜，界面結(jié)合不良，且易發(fā)生
偏聚；同時(shí)，該專(zhuān)利采用的是單一的TiB增強(qiáng)相，因此獲得的鈦合金性能單一， 限制了其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦 合金及其制備方法，采用目前產(chǎn)量最高、應(yīng)用范圍最為廣泛的低成本的傳統(tǒng)鈦合 金Ti-6Al-4V，利用海綿鈦(Ti)、碳化硼(B4C)和石墨(C)之間的反應(yīng)生成TiB 和TiC進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，快捷、低成本的制備出增強(qiáng)相分布更加均勻、界面結(jié)合更 好、導(dǎo)熱系數(shù)高、線(xiàn)膨脹系數(shù)低、綜合力學(xué)性能優(yōu)異的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金。 該方法適合大批量工業(yè)生產(chǎn)，能滿(mǎn)足對(duì)低成本、高性能鈦合金的迫切需求。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金，包含的各組分元素的 質(zhì)量百分比含量為:Al 5. 1% 6. 5%， V 3. 3% 4. 3%， B 0. 06% 0. 91%， C 0. 17% 1.27%，余量為鈦。
所述V是以鋁釩中間合金(A1V)的形式加入的，鋁釩中間合金的V質(zhì)量百 分比含量為50% 60%。
所述B是以碳化硼(B4C)的形式加入的。
本發(fā)明所涉及的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金的制備方法，包括如下 具體步驟
步驟一，按各組分元素的質(zhì)量百分比含量稱(chēng)取海綿鈦、碳化硼、石墨、鋁釩 中間合金和純鋁；
步驟二，將步驟一稱(chēng)取的原料混合均勻，壓制成電極，裝入真空自耗電弧爐 或真空非自耗電弧爐中；
步驟三，熔煉兩次到三次獲得含有增強(qiáng)相TiB和TiC的鈦合金鑄錠； 所述增強(qiáng)相，由下列反應(yīng)式生成
5Ti + B4C —4TiB + TiC Ti + C ~> TiC
所述增強(qiáng)相TiB和TiC，其摩爾比為1: 20 4: 1，其體積分?jǐn)?shù)總和控制在 4% 6%之間。
步驟四，在3相區(qū)對(duì)鈦合金的鑄錠進(jìn)行開(kāi)坯鍛造，隨后在a+e兩相區(qū)進(jìn)
行常規(guī)鍛造，鍛造完成后，利用機(jī)加工設(shè)備除去鈦合金表面的氧化皮及縮孔、偏 析和夾雜缺陷，即得復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量的鈦合金。
所述開(kāi)坯鍛造，其變形量超過(guò)50%，其工作溫度范圍為108(TC 120(TC。 所述常規(guī)鍛造，其變形量超過(guò)75%，其工作溫度范圍為98(TC 105(TC。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在不改變傳統(tǒng)的鈦合金的制備設(shè)備和工藝流程的情 況下，簡(jiǎn)單快捷、低成本的制備出增強(qiáng)相分布更加均勻、界面結(jié)合更好、綜合力 學(xué)性能優(yōu)異的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金。TiB增強(qiáng)相顯著提高了該鈦合金的室溫 強(qiáng)度和室溫彈性模量，室溫屈服強(qiáng)度大于950MPa，室溫抗拉強(qiáng)度大于1050MPa， 室溫彈性模量大于125GPa，較之Ti-6A1-4V分別提高了 5%、 10°/。和12%以上，同 時(shí)塑性大于腦；TiC增強(qiáng)相顯著提高了鈦合金的耐磨性，較之Ti-6A1-4V提高了 50%以上；室溫下導(dǎo)熱系數(shù)在8.2 9.0W/(m. K)之間，較之Ti-6A1-4V提高了 26% 38%;線(xiàn)膨脹系數(shù)在7. IX 1(T6 10. 9X10—6 (-100。C 400。C)之間。本發(fā) 明制備的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金成為航空用結(jié)構(gòu)材料、超聲波粉碎 儀探頭材料和衛(wèi)星天線(xiàn)支撐部件的優(yōu)選。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例在以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式 和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。 實(shí)施例1
制備增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為5%的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金 (TiB:TiC=l:l)。
按質(zhì)量百分比稱(chēng)取一級(jí)海綿鈦89.51%、碳化硼0.62%、石墨0.40%、鋁釩中 間合金 6.89%(V 含量為 55%)和純鋁 2.58%制備成分為 Ti-5. 7A1-3. 8V-0. 48B-0. 54C的鈦合金。
將原料混合均勻，壓制成電極，裝入真空自耗電弧爐或真空非自耗電弧爐中；
熔煉兩次到三次獲得含有增強(qiáng)相TiB和Tic的鈦合金鑄錠；在e相區(qū)進(jìn)行開(kāi)坯
鍛造ai7(TC)，變形量為50%，然后在a+p兩相區(qū)a02(TC)進(jìn)行常規(guī)鍛造， 變形量為75%，利用機(jī)加工設(shè)備除去材料表面的氧化皮及縮孔、偏析和夾雜等缺 陷，即得復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金。
本實(shí)施例所得合金增強(qiáng)相分布均勻，界面結(jié)合良好，綜合性能優(yōu)異。室溫屈
服強(qiáng)度為1090MPa，室溫抗拉強(qiáng)度為1178MPa,室溫彈性模量為127GPa，較之 Ti-6Al-4V分別提高了 21%、 24%和15%,塑性為8%;耐磨性較之Ti-6A1-4V提 高了 85%;室溫下導(dǎo)熱系數(shù)為8. 5W/(m K)，較之Ti-6A1-4V提高了 31%;線(xiàn)膨 脹系數(shù)在8.0X10—6 10. 2X10—6 (-100。C 400。C)之間. 實(shí)施例2
制備增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為4%的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金 (TiB:Ti04:l)
按質(zhì)量百分比稱(chēng)取一級(jí)海綿鈦88. 39%、碳化硼0.77%、石墨0%、鋁釩中間 合金7. 19。/。(V含量為60%)和純鋁3. 64%制備成分為T(mén)i-6. 5A1-4. 3V-0. 61B-0, 17C 的鈦合金。
將原料混合均勻，壓制成電極，裝入真空自耗電弧爐或真空非自耗電弧爐中；
熔煉兩次到三次獲得含有增強(qiáng)相TiB和Tic的鈦合金鑄錠；在e相區(qū)進(jìn)行開(kāi)坯
鍛造(1080°C)，變形量為60%，然后在a+p兩相區(qū)(98(TC)進(jìn)行常規(guī)鍛造， 變形量為85%，利用機(jī)加工設(shè)備除去材料表面的氧化皮及縮孔、偏析和夾雜等缺 陷，即得復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金。
本實(shí)施例所得鈦合金的綜合性能與實(shí)施例1相近，室溫屈服強(qiáng)度、室溫抗拉 強(qiáng)度和室溫彈性模量稍差，塑性稍好，耐磨性稍差，室溫下導(dǎo)熱系數(shù)稍差，線(xiàn)膨 脹系數(shù)(-100。C 40(TC)稍差。
實(shí)施例3
制備增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為6%的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金 (TiB:TiC=4:l)
按質(zhì)量百分比稱(chēng)取一級(jí)海綿鈦88.24%、碳化硼1.16%、石墨0%、鋁釩中間 合金8. 44%(V含量為50%)和純鋁2. 16%制備成分為T(mén)i_6. 4A1-4. 2V-0. 91B-0. 25C 的鈦合金。
將原料混合均勻，壓制成電極，裝入真空自耗電弧爐或真空非自耗電弧爐中；
熔煉兩次到三次獲得含有增強(qiáng)相TiB和Tie的鈦合金鑄錠；在e相區(qū)進(jìn)行開(kāi)坯
鍛造ai6(TC)，變形量為50%，然后在a+e兩相區(qū)(IOI(TC)進(jìn)行常規(guī)鍛造， 變形量為80%，利用機(jī)加工設(shè)備除去材料表面的氧化皮及縮孔、偏析和夾雜等缺 陷，即得復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金。
本實(shí)施例所得鈦合金的綜合性能與實(shí)施例1相近，室溫屈服強(qiáng)度、室溫抗拉 強(qiáng)度和室溫彈性模量稍好，塑性稍差，耐磨性稍差；室溫下導(dǎo)熱系數(shù)稍好，線(xiàn)膨 脹系數(shù)(-100。C 40(TC)稍好。
實(shí)施例4
制備增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為6%的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金 (TiB:TiC=l:20)
按質(zhì)量百分比稱(chēng)取一級(jí)海綿鈦90.27%、碳化硼0.07%、石墨1.26%、鋁釩中 間合金 5.94%(V 含量為 55%)和純鋁 2.46%制備成分為 Ti-5. 1A1-3. 3V-0. 06B-1. 27C的鈦合金。
將原料混合均勻，壓制成電極，裝入真空自耗電弧爐或真空非自耗電弧爐中；
熔煉兩次到三次獲得含有增強(qiáng)相TiB和Tic的鈦合金鑄錠；在e相區(qū)進(jìn)行開(kāi)坯
鍛造(1200°C)，變形量為60%，然后在a+e兩相區(qū)(1050°C)進(jìn)行常規(guī)鍛造， 變形量為75%，利用機(jī)加工設(shè)備除去材料表面的氧化皮及縮孔、偏析和夾雜等缺 陷，即得復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金。
本實(shí)施例所得鈦合金的綜合性能與實(shí)施例1相近，室溫屈服強(qiáng)度、室溫抗拉 強(qiáng)度和室溫彈性模量稍差，塑性稍差，但是耐磨性好很多，室溫下導(dǎo)熱系數(shù)稍好; 線(xiàn)膨脹系數(shù)(-10(TC 400。C)稍好。
權(quán)利要求
1、一種復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金，其特征在于，包含的各組分元素及其質(zhì)量百分比含量為Al 5.1％～6.5％，V 3.3％～4.3％，B 0.06％～0.91％，C 0.17％～1.27％，余量為鈦。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金，其特征是， 所述V是以鋁釩中間合金的形式加入的，鋁釩中間合金的V質(zhì)量百分比含量為 50% 60%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金，其特征是， 所述B是以碳化硼的形式加入的。
4、 一種如權(quán)利要求1所述的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金的制備方 法，其特征在于，包括如下步驟-步驟一，按各組分元素的質(zhì)量百分比含量稱(chēng)取海綿鈦、碳化硼、石墨、鋁釩 中間合金和純鋁；步驟二，將步驟一稱(chēng)取的原料混合均勻，壓制成電極，裝入真空自耗電弧爐或真空非自耗電弧爐中；步驟三，熔煉兩次到三次獲得含有增強(qiáng)相TiB和TiC的鈦合金鑄錠； 步驟四，在e相區(qū)對(duì)鈦合金的鑄錠進(jìn)行開(kāi)坯鍛造，隨后在a+e兩相區(qū)進(jìn)行常規(guī)鍛造，鍛造完成后，利用機(jī)加工設(shè)備除去鈦合金表面的氧化皮及縮孔、偏析和夾雜缺陷，即得復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金的制備方法， 其特征是，所述的增強(qiáng)相TiB和TiC，其摩爾比為l: 20 4: 1，其體積分?jǐn)?shù)總 和控制在4% 6%之間。
6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金的制備方法， 其特征是，所述的開(kāi)坯鍛造，其變形量超過(guò)50%，工作溫度范圍為1080°C 1200 。C。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金的制備方法， 其特征是，所述的常規(guī)鍛造，其變形量超過(guò)75%，工作溫度范圍為980°C 1050 。C。
全文摘要
一種材料制備技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)合強(qiáng)化的高強(qiáng)度高彈性模量鈦合金及其制備方法，所述材料各組分及其質(zhì)量百分比含量為Al 5.1％～6.5％，V 3.3％～4.3％，B0.06％～0.91％，C 0.17％～1.27％，余量為鈦。稱(chēng)取海綿鈦、碳化硼、石墨、鋁釩中間合金和純鋁原料，混合均勻，壓制成電極，裝入電弧爐中；熔煉獲得含有增強(qiáng)相TiB和TiC的鈦合金鑄錠；在β相區(qū)對(duì)鈦合金鑄錠進(jìn)行開(kāi)坯鍛造，隨后在α+β兩相區(qū)進(jìn)行常規(guī)鍛造，鍛造完成后，除去鈦合金表面的氧化皮及縮孔、偏析和夾雜缺陷，即得鈦合金。本發(fā)明簡(jiǎn)單快捷、成本低，增強(qiáng)相分布更加均勻、界面結(jié)合更好、導(dǎo)熱系數(shù)高、線(xiàn)膨脹系數(shù)低、綜合力學(xué)性能優(yōu)異。
文檔編號(hào)C22C1/03GK101392338SQ200810202298
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月6日
發(fā)明者盧俊強(qiáng), 呂維潔, 荻 張, 覃繼寧 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)