專利名稱：一種β鈦合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金，尤其是涉及一種綜合性能優(yōu)異的β鈦合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈦合金因其比強度高和抗腐蝕性好而成為航天航空工業(yè)、醫(yī)藥工程、化學(xué)工業(yè)以 及休閑行業(yè)等的優(yōu)先選用材料。如航天航空領(lǐng)域以及汽車領(lǐng)域采用鈦合金能夠提升性能并 且降低能耗，而高爾夫球桿頭采用鈦合金可使球桿頭體積更大，因而擊球更準更遠。目前已 經(jīng)開發(fā)比較成熟的Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn和Ti-22V-4A1等β鈦合金以塑性好而在這些領(lǐng) 域廣泛應(yīng)用，但以上合金因強度較低而限制了進一步的發(fā)展；同時貴重原料釩的大量加入， 使得這些鈦合金的成本上升而抗氧化性下降；而且隨著科技及社會的發(fā)展，對β鈦合金綜 合性能的要求越來越高。因此，近年來對于成本較低而綜合性能優(yōu)良的β鈦合金研發(fā)越來 越受到人們的重視。目前，在已有的專利文獻中，大家更多的是關(guān)注β鈦合金的彈性模量、塑性或者 強度單一方面的性能，而對于綜合性能優(yōu)異的文獻卻較少。中國專利CN101010438公開一種具有優(yōu)異的冷加工性，并且具有比 Ti-20V-4Al-lSni3型鈦合金有更高強度的β型鈦合金，其以重量％計，含有V:5 15%、 Fe 0. 5 2. 5%、Mo 0. 5 6%、Cr 0. 5 5%，并且在設(shè)所含有的V的重量％為Xv，所 含有的Fe的重量％為XFe，所含有的Mo的重量％為XM。，所含有的Cr的重量％為Xtt時， Xv+2. 95XFe+l. 5ΧΜ。+1. 65Χ&的值為15 23%，還含有Al :1. 5 5%，余量由Ti以及雜質(zhì)構(gòu) 成。雖然具有良好的冷加工性能且時效后強度可達1300MPa左右，但是沒有公布其具體的 塑性指標。中國專利CN101182609公開了一種緊固件用鈦合金，該合金按重量百分比組成 為V14 16%，Cr 2. 5 3. 5%, Al 2. 5 3. 5%, Sn 2. 5 3. 5%, Nb 0. 5 5%，Zr 0. 5 5%，Ta 0. -1.5%，余量為鈦及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明所制備的合金棒材和 板材具有良好的綜合性能，尤其是強度和塑性匹配優(yōu)異，室溫拉伸性能ob > 1250MPa,
10%, Ψ >30%，可以在350°C下長期使用；該合金在最佳熱處理下其抗拉強度達 到1250MPa以上，延伸率達到13%以上，面縮率達到36%以上。雖然具有強度與塑性匹配 較好的性能，但是較高的釩含量使得成本上升而抗氧化性下降；同樣對于綜合性能較優(yōu)的 Ti-20V-4Al-lSn也存在著釩含量偏高的不足。中國專利CN101314827公開了一種β型鈦合金，其重量百分比為鉬9% 15%， 鈮6% 10%，鉭2% 6%，鋯2% 6%，鋁 3%，鐵彡1.0%，碳彡0. 1%，氮 < 0. 05%，氫< 0. 015%，氧< 0. 02%，余量為鈦。其制備方法為采用海綿鈦，純鋁，海綿鋯， Ti-31% Mo、Ti-53% Nb、Al-80% Ta混料后制成自耗電極；經(jīng)真空自耗電弧爐熔煉獲得一 次鑄錠；由一次鑄錠作為自耗電極進行熔煉獲得二次鑄錠；由二次鑄錠作為自耗電極真空 自耗熔煉成成品鈦合金錠。本發(fā)明不僅具有高強度，而且具有較高的延伸率和塑性，既能滿足應(yīng)用需求的強度，又易于加工成型、減少能耗。雖然具有高強度和較高塑性，抗拉強度為 1060 1200MPa，同時收縮率能夠達到30% 50%，但是該合金含有熔點很高且價格昂貴 的貴金屬鉭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種綜合性能優(yōu)異的β鈦合金及其制備方法。本發(fā)明所述β鈦合金的組成及其按質(zhì)量百分比的含量為釩6% 10%、鋁2% 4%、鉻2% 4%、鈮0% 13%、錫0% 3%、鋯0% 5%、鉬0% 4%、硼0% 0.05%， 余量為鈦。本發(fā)明所述β鈦合金的制備方法包括以下步驟1)將海綿態(tài)的鈦和鋯放入電弧爐，抽真空后充入氬氣進行熔煉，再將熔煉后的鈦 和鋯，與釩、鋁、鉻、鈮、錫、鉬、硼進行熔煉，得到β鈦合金錠材；2)將β鈦合金錠材進行均勻化熱處理后，隨爐冷卻；3)將經(jīng)過熱處理的β鈦合金錠材熱軋成片狀合金材料；4)將得到的片狀合金材料切成試樣，固溶處理后冰水淬火，然后進行時效處理，即 得β鈦合金。在步驟1)中，所述再將熔煉后的鈦和鋯，與釩、鋁、鉻、鈮、錫、鉬、硼進行熔煉，最 好將熔煉后的鈦和鋯，與釩、鋁、鉻、鈮、錫、鉬、硼各原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，可多 次翻轉(zhuǎn)熔煉；所述抽真空的真空度至少6Χ 10_3Pa，充入氬氣至0. 5 0. 7 X IO5Pa,所述翻 轉(zhuǎn)熔煉最好至少翻轉(zhuǎn)4次；所述鈦、鋯、釩、鋁、鉻、鈮、錫、鉬、硼各原料的純度最好不小于 99. 5%。在步驟2)中，所述均勻化熱處理的溫度可為900 1000°C，均勻化熱處理的時間 最好至少12h ；所述均勻化熱處理的真空度最好為2X 10_3 5X 10_3Pa。在步驟3)中，所述熱軋的溫度可為700 800°C ；所述片狀合金材料的厚度最好 為1 2mm。在步驟4)中，所述將得到的片狀合金材料切成試樣可采用線切割方法切成試樣； 所述固溶處理的溫度最好為900 1000°C，固溶處理的時間最好為0. 5 1. 5h ；所述時效 處理的溫度最好為400 500°C，時效處理的時間最好為0. 5 3h ；試樣最好為啞鈴狀拉伸試樣。與現(xiàn)有的β鈦合金相比，本發(fā)明的突出優(yōu)點是實現(xiàn)了強度和塑性的良好結(jié)合，具有優(yōu)異的綜合性能。經(jīng)過拉伸實驗，結(jié)果表明該 β鈦合金固溶態(tài)的室溫拉伸強度為770 840MPa，延伸率20%以上；時效態(tài)的室溫拉伸強 度為1200 1300MPa，延伸率6%以上。能夠滿足汽車零部件、高強度連接件、眼鏡架、焊絲、 高爾夫球頭等多種行業(yè)的需求。同時成本較低。


圖1為Ti-9V-4Al-2Zr-13Nb-2Cr鈦合金片材固溶態(tài)的室溫拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲 線。在圖1中，橫坐標為拉伸應(yīng)變Tensile Strain(%)，縱坐標為拉伸應(yīng)力Tensile Stress (MPa)。
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圖2為Ti-9V-4Al-2Zr-13Nb-2Cr鈦合金片材時效態(tài)的室溫拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲 線。在圖2中，橫坐標為拉伸應(yīng)變Tensile Strain(%)，縱坐標為拉伸應(yīng)力Tensile Stress (MPa)。
具體實施例方式下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。實施例1 制備 Ti-9V-4Al-2Zr-13Nb-2Cr 鈦合金先分別將海綿態(tài)的鈦和鋯放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5 X IO-3Pa,充入高 純氬氣至0. 7 X IO5Pa后翻轉(zhuǎn)熔煉2次，然后將高純的釩、鋁、鉻、鈮和之前熔煉好的鈦和鋯 按重量百分比稱量、清洗后放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，按之前的方法并配合磁攪拌反復(fù)熔 煉5次，得到β鈦合金錠材。將上述制得的β鈦合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行均勻 化熱處理，真空度為5Χ 10_3Pa，熱處理溫度900°C下保溫24h后，隨爐冷卻。將上述經(jīng)過熱 處理的β鈦合金錠材在800°C進行熱軋，將合金錠材熱軋成Imm厚的片狀合金材料。將上 述得到的合金片材用線切割方法切成 鈴狀拉伸試樣，然后封裝在充有氬氣保護的石英管 中再放入熱處理爐中，試樣在900°C保溫lh，然后迅速進行水淬，即得到本發(fā)明要求的固溶 態(tài)拉伸試樣。其中一部分固溶態(tài)拉伸試樣在淬火后進行時效處理，也是封裝在充有氬氣保 護的石英管中再放入熱處理爐中，試樣在500°C保溫0. 5h，即得到本發(fā)明要求的時效態(tài)拉 伸試樣。采用Galdabini Sun-2500型拉伸機進行上述鈦合金片材的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變測試， 拉伸速率為0. 5mm/min。拉伸結(jié)果固溶態(tài)的抗拉強度770MPa，延伸率23% (拉伸曲線見 圖1)；時效態(tài)的抗拉強度1290MPa，延伸率6% (拉伸曲線見圖2)。實施例2 制備 Ti-9V-3Al-4Cr-3Sn-3. 5Nb 鈦合金先將海綿態(tài)的鈦放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5 X IO-3Pa,充入高純氬氣至 0. 7X IO5Pa后翻轉(zhuǎn)熔煉2次，然后將高純的釩、鋁、鉻、鈮、錫和之前熔煉好的鈦按重量百分 比稱量、清洗后放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，按之前的方法并配合磁攪拌反復(fù)熔煉5次，得到 β鈦合金錠材。將上述制得的β鈦合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行均勻化熱處理，真 空度為5X10_3Pa，熱處理溫度90(TC下保溫24h后，隨爐冷卻。將上述經(jīng)過熱處理的β鈦 合金錠材在800°C進行熱軋，將合金錠材熱軋成Imm厚的片狀合金材料。將上述得到的合 金片材用線切割方法切成tt鈴狀拉伸試樣，然后封裝在充有氬氣保護的石英管中再放入熱 處理爐中，試樣在900°C保溫1.5h，然后迅速進行水淬，即得到本發(fā)明要求的固溶態(tài)拉伸試 樣。其中一部分固溶態(tài)拉伸試樣在淬火后進行時效處理，也是封裝在充有氬氣保護的石英 管中再放入熱處理爐中，試樣在500°C保溫0. 5h，即得到本發(fā)明要求的時效態(tài)拉伸試樣。采用Galdabini Sun-2500型拉伸機進行上述鈦合金片材的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變測試， 拉伸速率為0. 5mm/min。拉伸結(jié)果固溶態(tài)的抗拉強度790MPa，延伸率20%;時效態(tài)時抗拉 強度1250MPa，延伸率8%。實施例3 制備 Ti-6V-3Al-5Zr-8. 5Nb-3Mo_2Cr 鈦合金先分別將海綿態(tài)的鈦和鋯放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5 X IO-3Pa,充入高 純氬氣至0. 7 X IO5Pa后翻轉(zhuǎn)熔煉2次，然后將高純的釩、鋁、鉻、鈮、鉬和之前熔煉好的鈦和 鋯按重量百分比稱量、清洗后放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，按之前的方法并配合磁攪拌反復(fù)熔煉5次，得到β鈦合金錠材。將上述制得的β鈦合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行均 勻化熱處理，真空度為5Χ 10_3Pa，熱處理溫度IOOiTC下保溫12h后，隨爐冷卻。將上述經(jīng)過 熱處理的β鈦合金錠材在700°C進行熱軋，將合金錠材熱軋成Imm厚的片狀合金材料。將 上述得到的合金片材用線切割方法切成 鈴狀拉伸試樣，然后封裝在充有氬氣保護的石英 管中再放入熱處理爐中，試樣在1000°C保溫0. 5h，然后迅速進行水淬，即得到本發(fā)明要求 的固溶態(tài)拉伸試樣。其中一部分固溶態(tài)拉伸試樣在淬火后進行時效處理，也是封裝在充有 氬氣保護的石英管中再放入熱處理爐中，試樣在450°C保溫0. 5h，即得到本發(fā)明要求的時 效態(tài)拉伸試樣。采用Galdabini Sun-2500型拉伸機進行上述鈦合金片材的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變測試， 拉伸速率為0. 5mm/min。拉伸結(jié)果固溶態(tài)的抗拉強度780MPa，延伸率23%;時效態(tài)時抗拉 強度1260MPa，延伸率9%。實施例4 制備 Ti-9V-2. 5Al-3Cr-5Zr-4Mo 鈦合金先分別將海綿態(tài)的鈦和鋯放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5 X IO-3Pa,充入高 純氬氣至0. 7X IO5Pa后翻轉(zhuǎn)熔煉2次，然后將高純的釩、鋁、鉻、鉬和之前熔煉好的鈦和鋯 按重量百分比稱量、清洗后放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，按之前的方法并配合磁攪拌反復(fù)熔 煉5次，得到β鈦合金錠材。將上述制得的β鈦合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行均勻 化熱處理，真空度為5Χ 10_3Pa，熱處理溫度1000°C下保溫12h后，隨爐冷卻。將上述經(jīng)過熱 處理的β鈦合金錠材在700°C進行熱軋，將合金錠材熱軋成Imm厚的片狀合金材料。將上 述得到的合金片材用線切割方法切成 鈴狀拉伸試樣，然后封裝在充有氬氣保護的石英管 中再放入熱處理爐中，試樣在900°C保溫45min，然后迅速進行水淬，即得到本發(fā)明要求的 固溶態(tài)拉伸試樣。其中一部分固溶態(tài)拉伸試樣在淬火后進行時效處理，也是封裝在充有氬 氣保護的石英管中再放入熱處理爐中，試樣在400°C保溫3h，即得到本發(fā)明要求的時效態(tài) 拉伸試樣。采用Galdabini Sun-2500型拉伸機進行上述鈦合金片材的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變測試， 拉伸速率為0. 5mm/min。拉伸結(jié)果固溶態(tài)的抗拉強度800MPa，延伸率20%;時效態(tài)時抗拉 強度1210MPa，延伸率6%。實施例5 制備 Ti-10V-2Al-3Cr-2. 5Zr_2. 5Mo_0. 02B 鈦合金先分別將海綿態(tài)的鈦和鋯放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5 X IO-3Pa,充入高 純氬氣至0. 7 X IO5Pa后翻轉(zhuǎn)熔煉2次，然后將高純的釩、鋁、鉻、鉬、硼和之前熔煉好的鈦和 鋯按重量百分比稱量、清洗后放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，按之前的方法并配合磁攪拌反復(fù) 熔煉5次，得到β鈦合金錠材。將上述制得的β鈦合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行均 勻化熱處理，真空度為5Χ 10_3Pa，熱處理溫度900°C下保溫24h后，隨爐冷卻。將上述經(jīng)過 熱處理的β鈦合金錠材在800°C進行熱軋，將合金錠材熱軋成Imm厚的片狀合金材料。將 上述得到的合金片材用線切割方法切成 鈴狀拉伸試樣，然后封裝在充有氬氣保護的石英 管中再放入熱處理爐中，試樣在900°C保溫45min，然后迅速進行水淬，即得到本發(fā)明要求 的固溶態(tài)拉伸試樣。其中一部分固溶態(tài)拉伸試樣在淬火后進行時效處理，也是封裝在充有 氬氣保護的石英管中再放入熱處理爐中，試樣在450°C保溫0. 5h，即得到本發(fā)明要求的時 效態(tài)拉伸試樣。采用Galdabini Sun-2500型拉伸機進行上述鈦合金片材的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變測試，拉伸速率為0. 5mm/min。拉伸結(jié)果固溶態(tài)的抗拉強度840MPa，延伸率21%;時效態(tài)時抗拉 強度1300MPa，延伸率6%。
權(quán)利要求
一種β鈦合金，其特征在于其組成及其按質(zhì)量百分比的含量為釩6％～10％、鋁2％～4％、鉻2％～4％、鈮0％～13％、錫0％～3％、鋯0％～5％、鉬0％～4％、硼0％～0.05％，余量為鈦。
2.如權(quán)利要求1所述的一種β鈦合金的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將海綿態(tài)的鈦和鋯放入電弧爐，抽真空后充入氬氣進行熔煉，再將熔煉后的鈦和鋯， 與釩、鋁、鉻、鈮、錫、鉬、硼進行熔煉，得到β鈦合金錠材；2)將β鈦合金錠材進行均勻化熱處理后，隨爐冷卻；3)將經(jīng)過熱處理的β鈦合金錠材熱軋成片狀合金材料；4)將得到的片狀合金材料切成試樣，固溶處理后冰水淬火，然后進行時效處理，即得 β鈦合金。
3.如權(quán)利要求2所述的一種β鈦合金的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述再將 熔煉后的鈦和鋯，與釩、鋁、鉻、鈮、錫、鉬、硼進行熔煉，是將熔煉后的鈦和鋯，與釩、鋁、鉻、 鈮、錫、鉬、硼各原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，翻轉(zhuǎn)熔煉。
4.如權(quán)利要求2所述的一種β鈦合金的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述抽真 空的真空度至少6Χ 10_3Pa，充入氬氣至0. 5 0. 7 X IO5Pa,所述翻轉(zhuǎn)熔煉至少翻轉(zhuǎn)4次。
5.如權(quán)利要求2所述的一種β鈦合金的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述均勻 化熱處理的溫度為900 1000°C，均勻化熱處理的時間至少12h。
6.如權(quán)利要求2所述的一種β鈦合金的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述均勻 化熱處理的真空度為2Χ 10_3 5Χ 10_3Pa。
7.如權(quán)利要求2所述的一種β鈦合金的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述熱軋 的溫度為700 800°C。
8.如權(quán)利要求2所述的一種β鈦合金的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述片狀 合金材料的厚度為1 2mm。
9.如權(quán)利要求2所述的一種β鈦合金的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述固溶 處理的溫度為900 1000°C，固溶處理的時間為0. 5 1. 5h。
10.如權(quán)利要求2所述的一種β鈦合金的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述時 效處理的溫度為400 500°C，時效處理的時間為0. 5 3h。
全文摘要
一種β鈦合金及其制備方法，涉及一種鈦合金。提供一種綜合性能優(yōu)異的β鈦合金及其制備方法。β鈦合金的組成及其按質(zhì)量百分比的含量為釩6％～10％、鋁2％～4％、鉻2％～4％、鈮0％～13％、錫0％～3％、鋯0％～5％、鉬0％～4％、硼0％～0.05％，余量為鈦。將海綿態(tài)的鈦和鋯放入電弧爐，抽真空后充入氬氣進行熔煉，再將熔煉后的鈦和鋯，與釩、鋁、鉻、鈮、錫、鉬、硼進行熔煉，得到β鈦合金錠材；將β鈦合金錠材進行均勻化熱處理后，隨爐冷卻；將經(jīng)過熱處理的β鈦合金錠材熱軋成片狀合金材料；將得到的片狀合金材料切成試樣，固溶處理后冰水淬火，然后進行時效處理，即得β鈦合金。
文檔編號C22C14/00GK101886189SQ20101014110
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者劉興軍, 劉旭亮, 張欣橋, 張錦彬, 施展, 楊水源, 王翠萍, 馬云慶, 黃藝雄 申請人:廈門大學(xué)