專利名稱：一種α＋β兩相鈦合金及其加工方法
—種α + β兩相鈦合金及其加工方法技術(shù)領(lǐng)域
一種α+β兩相鈦合金及其加工方法，涉及一種航空航天及兵器領(lǐng)域應(yīng)用的超高強(qiáng)可焊短時耐熱(α+β )兩相鈦合金及其加工方法。
背景技術(shù)：
在鈦金生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，關(guān)于超高強(qiáng)的定義為根據(jù)鈦合金的一般理解，按照室溫抗拉強(qiáng)度級別劃分的鈦合金分類為低強(qiáng)鈦及鈦合金0 < 700MPa)、中強(qiáng)鈦合金(700 MPa _ 他 <850MPa)、中高強(qiáng)鈦合金(850 MPa < < lOOOMPa)、高強(qiáng)鈦合金(1000 MPa <他 < 1200MPa)和超高強(qiáng)鈦合金0 > 1200 MPa)五大類。發(fā)展超高強(qiáng)鈦合金的目的是提高比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度的比值)、充分發(fā)揮材料效能、提高有效載荷。
其可焊的定義為采用某種焊接方法，對工件或試樣進(jìn)行焊接并冷卻后，外觀無冷裂現(xiàn)象，對焊接件進(jìn)行室溫拉伸測試，強(qiáng)度系數(shù)大于等于O. 8，并且多數(shù)情況下斷點(diǎn)在基體而非焊縫上且有儀器可測的拉伸塑性(如1%)。
其耐熱的定義為長時間耐熱一般指10小時以上乃至成千上萬小時工況下強(qiáng)度的保持能力，一般測試考核指標(biāo)為某高溫下100小時的抗拉強(qiáng)度和蠕變及持久性能；短時間耐熱指10小時以內(nèi)(根據(jù)工況一般O. Γ10小時不等)其抗拉強(qiáng)度不低于300MPa。滿足上述要求的(最高)溫度為該鈦及鈦合金的耐熱溫度。對于純鈦，特定工況下10(T200°C即可認(rèn)為是耐熱的，對于鈦合金，300°C以上才被認(rèn)為具有耐熱性。
目前，現(xiàn)存的超高強(qiáng)鈦合金多集中于近β或β鈦合金；但由于多數(shù)近β或μ鈦合金耐熱性較差、所以僅限于300°C以下使用而不具有耐熱特性；目前現(xiàn)有的耐熱鈦合金多集中于α或近鈦合金，但不具備超高強(qiáng)特性；在適當(dāng)?shù)臈l件下，(α+β)兩相鈦合金有可能兼具超聞強(qiáng)和耐熱兩種特性。目如世界范圍內(nèi)關(guān)于有效截面在IOmm以上的棒材或板材的室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到或超過1600MPa 1700MPa的正式報道或?qū)＠形匆姷健?br> 關(guān)于鈦及鈦合金加工材的制備技術(shù)包括各種真空熔煉技術(shù)(VAR、CHRM、PM、頂?shù)?、 各種熱加工技術(shù)(鑄造、熱鍛造、熱軋制、熱擠壓、熱拉拔、熱處理、焊接等)、各種冷加工技術(shù) (冷軋制、冷拉拔、冷鐓制、冷機(jī)械加工成型等)以及其他技術(shù)(如氮化、微弧氧化、涂覆表面處理等)。
可在室溫抗拉強(qiáng)度在1200MPa以上、最高可達(dá)1700MPa量級的超高強(qiáng)度鈦合金及其工程化制備方法，該合金具有可進(jìn)行電子束(EB)焊接的特性，并具有短時(I小時左右) 600°C高溫下的耐熱性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了獲得一種可以滿足特種飛行器構(gòu)件的設(shè)計與制造用途的， 具有超高強(qiáng)度、具有可焊性的、在高溫下具有短時耐熱特性的α+β兩相鈦合金及其加工方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
一種α+β兩相鈦合金，其特征在于其重量百分比的組成為Al :6. 59Γ7. 9%，Sn: I. 69Γ2. 6%, Zr :1. 69Γ2. 6%, Mo :1. 89Γ2. 8%, Cr :0. 99Γ2. 3%, Nb :1. 69Γ2. 6%, Ni :0. 89Γ1. 8%, Si < O. 5%, Fe < O. 20%, C _ O. 10%, N _ O. 10 %，O < O. 15 %，H _ O. 015%，其他雜質(zhì)總和S O. 40%，余量為Ti。
本發(fā)明的一種α+β兩相鈦合金的熔煉過程是選用鋁豆、鋁箔、電解鉻、Ti-Sn, Al-Mo、Al-Nb、Al-Si、Ti-Ni中間合金和海綿鋯、海綿鈦等原料，經(jīng)破碎、烘干、混合、壓制自耗電極、焊接后置于真空自耗電弧爐中進(jìn)行2 4次的真空熔煉，制得鈦合金鑄錠。
本發(fā)明的一種α+β兩相鈦合金的加工方法，其特征在于其加工過程的步驟依次包括(1)將制得的鈦合金鑄錠，在1050°C 1250°c溫度下的μ相區(qū)進(jìn)行開坯鍛造、鐓粗、拔長的變形加；(2)在980°C 1150°C溫度下，進(jìn)行丨相區(qū)或近β相區(qū)鍛造；(3)在950°C溫度下，進(jìn)行(α+β)兩相區(qū)或近β相區(qū)一火次多道次熱軋制；加工到需要的尺寸；(4)在650°C 750°C溫度下，進(jìn)行(α+β )兩相區(qū)保溫退火f 2小時空冷。
本發(fā)明的一種α+β兩相鈦合金，可以采用電子束焊接方法進(jìn)行焊接，焊接后強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到O. 8以上。鈦合金在室溫抗拉強(qiáng)度在1200MPa以上、最高可達(dá)1700MPa量級的超高強(qiáng)度鈦合金，該合金具有可進(jìn)行電子束(EB)焊接的特性，并具有短時(I小時左右)600°C 高溫下的耐熱性。當(dāng)合金元素含量取上限或至少β穩(wěn)定元素取上限時，為彌散顆粒均布于基體的組織特征；當(dāng)合金元素含量取下限或至少β穩(wěn)定元素取下限時，為雙態(tài)組織或網(wǎng)籃組織特征，可以滿足特種飛行器構(gòu)件的設(shè)計與制造用途。


圖I指實(shí)例I中的鈦合金軋棒R態(tài)橫斷面顯微組織，顯示彌散均布的球狀第二相； 放大倍數(shù)X 1000倍；圖2指實(shí)例I中的鈦合金軋棒M態(tài)橫斷面顯微組織，顯示彌散第二相明顯溶解、更加細(xì)??；放大倍數(shù)Χ1000倍；圖3指實(shí)例2中的鈦合金軋棒R態(tài)橫斷面顯微組織，顯示彌散均布的球狀第二相；放大倍數(shù)X 1000倍；圖4指實(shí)例2中的鈦合金軋棒M態(tài)橫斷面顯微組織，顯示第二相部分溶解；放大倍數(shù)X 1000 倍；圖5指實(shí)例3中的鈦合金軋棒R態(tài)橫斷面顯微組織，顯示網(wǎng)籃條狀組織；放大倍數(shù)X 1000 倍；圖6指實(shí)例3中的鈦合金軋棒M態(tài)橫斷面顯微組織，顯示變化不大的網(wǎng)籃條狀組織 ’放大倍數(shù)X 1000倍；圖7指實(shí)例4中的鈦合金軋棒R態(tài)橫斷面顯微組織，顯示雙態(tài)組織；放大倍數(shù)Χ1000倍;圖8指實(shí)例4中的鈦合金軋棒M態(tài)橫斷面顯微組織，顯示均布的雙態(tài)等軸組織；放大倍數(shù)X1000 倍。
具體實(shí)施方式
一種α+β兩相鈦合金，具有超高強(qiáng)度、具有EB可焊性的、在高溫下具有短時耐熱特性的(Ct+β )兩相鈦合金，以滿足特種飛行器構(gòu)件的設(shè)計與制造用途。
I、合金設(shè)計對現(xiàn)有的鈦合金添加元素進(jìn)行綜合考察歸納，選擇并確定 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb-Ni-Si九元合金系。其中α穩(wěn)定元素Al起到強(qiáng)化相并提高鈦合金耐熱性的作用，β穩(wěn)定元素Mo、Cr、Nb、Ni起到強(qiáng)化β相的作用，近中性的Sn、Zr和Si元素起到調(diào)和L相和相并提高耐熱性的作用。采用晶體結(jié)構(gòu)合金設(shè)計法則，選擇最小結(jié)構(gòu)單元排布模式，設(shè)計該(α+β)鈦合金的質(zhì)量百分比組成范圍為Ti- (6. 5^7. 9) Al- (1.6^2.6) Sn- (I. 6^2. 6)Zr- (I. 8^2. 8)Mo- (O. 9^2. 3)Cr- (I. 6^2. 6)Nb- (0.8 L8)Ni_ C_ O. 5) Si - (_ O. 20)Fe- (― O 10)C- (― O. 10)N- (― O. 15)0- (― O. 015)H (wt. %)。其中 Fe、 C、N、O、H為不可避免的雜質(zhì)，其他雜質(zhì)總和不超過O. 40%。
2、合金的熔煉選用鋁豆、鋁箔、電解鉻、Ti-Sn、Al-Mo, Al-Nb, Al-Si、Ti-Ni中間合金和海綿鋯、海綿鈦等原料，經(jīng)破碎、烘干、混合、壓制自耗電極、焊接后置于真空自耗電弧爐中進(jìn)行2 4次的真空熔煉，獲得新鈦合金的VAR鑄錠。
3、合金的熱加工坯料加熱和保溫電阻爐中進(jìn)行，在1050°C 1250°C之間的β相區(qū)。
開坯鍛造根據(jù)工件尺寸選擇合適噸位的鍛造設(shè)備(油壓機(jī)、水壓機(jī)、空氣錘等)， 對工件進(jìn)行鐓粗、拔長等變形加工。
后續(xù)鍛造在980°C 1150°C之間的f相區(qū)或近相區(qū)加熱保溫后在相應(yīng)的鍛造設(shè)備上進(jìn)行，中間過程可以反復(fù)并根據(jù)需要進(jìn)行工件的熱中斷分割。
熱軋制電阻爐(α+β)兩相區(qū)或近|3相區(qū)950°C加熱，一火次完成多道次熱軋制加工到需要的尺寸。
熱處理在6500C 750°C之間的(α+β )兩相區(qū)加熱保溫退火。
焊接采用真空電子束焊接方式對工件(試樣)進(jìn)行EB焊接。
4、合金的冷加工鍛造前的坯料準(zhǔn)備鑄錠扒皮、探傷、去冒口。
鍛造火次之間或軋制前的表面缺陷修磨。
軋制完成后的分割下料、車銑刨磨等加工。
實(shí)施例I所有人工添加元素均取上限值，得到Ti-7. 9A1-2. 6Sn-2. 6Zr_2. 8Mo_2. 3Cr_2. 6Nb_l. 8 Ni-0. 5Si (wt. %)成分，雜質(zhì)元素含量分別為Fe =0. 20%, C =0. 10%, N =0. 10%, 0=0. 15%,H=O. 015%。
經(jīng)5kg和25kg真空自耗電弧爐熔煉4次，得到ψ IOOmm直徑、重量IOkg的VAR鑄錠。
鑄錠經(jīng)扒皮、探傷、去冒口后在箱式電阻爐中1250°C加熱保溫2小時。
在750kg空氣錘上實(shí)施丨相區(qū)開坯鍛造，實(shí)現(xiàn)鐓拔變形。2火次完成。
后續(xù)鍛造加熱溫度在980°C 1150°C之間，保溫廣2小時，實(shí)施跨β鍛造。中間到D 55+2mmX55+2mm方棒時下料備測斷裂韌性,余料鍛至ψ 35+2mm棒材。4火次完成。
冷卻后對ψ 35+2mm棒材進(jìn)行表面修磨。
置ψ 35+2mm棒材于箱式電阻爐中95CTC加熱保溫I小時。
在橫列式熱軋機(jī)上進(jìn)行5道次軋制(橢圓-圓交替孔型)，得到ψ 14±a5mm黑皮軋棒。I火次完成。
中斷下料，經(jīng)750°C / I h AC退火熱處理后余熱矯直，磨削加工至ψ 13+° !!!的磨光棒成品。
切取試樣進(jìn)行EB焊接試驗(yàn)，焊后進(jìn)行650°C / 2 h AC去應(yīng)力退火處理，機(jī)加試樣進(jìn)行可焊性測試。
切取試樣進(jìn)行室溫拉伸、斷裂韌性和沖擊韌性測試及高溫拉伸性能測試。
各種性能測試結(jié)果見表f表3。
制備并觀察各狀態(tài)下材料的金相顯微組織(典型組織見附圖I)。
實(shí)施例2β添加元素取上限而，穩(wěn)定元素和中性元素取下限(最小值)，得到Ti-6. 5A1-1. 6Sn-l 6Zr-2. 8Μο-2· 3Cr_2. 6Nb-l. 8Ni_0. 5Si (wt. %)成分，雜質(zhì)元素含量分別為Fe =0. 15%, C =0.06%,N =0. 05%, 0=0. 09%, H=O. 005%。
經(jīng)5kg和25kg真空自耗電弧爐熔煉3次，得到ψ IOOmm直徑、重量IOkg的VAR鑄錠。
鑄錠經(jīng)扒皮、探傷、去冒口后在箱式電阻爐中1200°C加熱保溫2小時。
在750kg空氣錘上實(shí)施β相區(qū)開坯鍛造，實(shí)現(xiàn)鐓拔變形。2火次完成。
后續(xù)鍛造加熱溫度在980°C 1150°C之間，保溫廣2小時，實(shí)施跨β鍛造。中間到O 55+2mmX55+2mm方棒時下料備測斷裂韌性,余料鍛至丨h(huán)+2mm棒材。4火次完成。
冷卻后對φ 35+2mm棒材進(jìn)行表面修磨。
置ψ 35+2mm棒材于箱式電阻爐中95CTC加熱保溫I小時。
在橫列式熱軋機(jī)上進(jìn)行5道次軋制(橢圓-圓交替孔型)，得到4 14±a5mm黑皮軋棒。I火次完成。
中斷下料，經(jīng)750°C / I h AC退火熱處理后余熱矯直，磨削加工至I Π±α 5mm的磨光棒成品。
切取試樣進(jìn)行EB焊接試驗(yàn)，焊后進(jìn)行650°C / 2 h AC去應(yīng)力退火處理，機(jī)加試樣進(jìn)行可焊性測試。
切取試樣進(jìn)行室溫拉伸、斷裂韌性和沖擊韌性測試及高溫拉伸性能測試。
各種性能測試結(jié)果見表f表3。
制備并觀察各狀態(tài)下材料的金相顯微組織(典型組織見附圖2)。
實(shí)施例3,戶定元素Al和中性元素Sn、Zr取上限，β穩(wěn)定元素Mo，Cr, Nb, Ni, Si取下限值， 得到 Ti-7. 9A1-2. 6Sn-2. 6Zr_l. 8Mo_0. 9Cr_l. 6Nb_0. 8Ni_0. 04Si (wt. %)成分，雜質(zhì)元素含量分別為Fe =0. 10%, C =0. 03%, N =0. 02%, 0=0. 12%, H=O. 003%。
經(jīng)5kg和25kg真空自耗電弧爐熔煉2次，得到| IOOmm直徑、重量IOkg的VAR鑄錠。
鑄錠經(jīng)扒皮、探傷、去冒口后在箱式電阻爐中1150°C加熱保溫2小時。
在750kg空氣錘上實(shí)施β相區(qū)開坯鍛造，實(shí)現(xiàn)鐓拔變形。I火次完成。
后續(xù)鍛造加熱溫度在980°C 1100°C之間，保溫f 2小時，實(shí)施跨|3或(Ct+β )鍛造。 中間到(I 55+2_X55+2mm方棒時下料備測斷裂韌性,余料鍛至(J) 35+2mm棒材。4火次完成。
冷卻后對ψ 35+2mm棒材進(jìn)行表面修磨。
置ψ 35+2mm棒材于箱式電阻爐中95CTC加熱保溫I小時。
在橫列式熱軋機(jī)上進(jìn)行兩相區(qū)5道次軋制(橢圓-圓交替孔型)，得到ψ 14±0- 5mm黑皮軋棒。I火次完成。
中斷下料，經(jīng)750°C / I h AC退火熱處理后余熱矯直，磨削至ψ 13+° !!!的磨光棒成品。
切取試樣進(jìn)行EB焊接試驗(yàn)，焊后進(jìn)行650°C / 2 h AC去應(yīng)力退火處理，機(jī)加試樣進(jìn)行可焊性測試。
切取試樣進(jìn)行室溫拉伸、斷裂韌性和沖擊韌性測試及高溫拉伸性能測試。
各種性能測試結(jié)果見表f表3。
制備并觀察各狀態(tài)下材料的金相顯微組織(典型組織見附圖3)。
實(shí)施例4所有人工添加元素均取下限值，得到Ti-6. 5A1-1. 6Sn-l. 6Zr_l. 8Mo_0. 9Cr_l. 6Nb_0. 8 Ni-0. OSi (wt. %)成分，雜質(zhì)元素含量分別為Fe =0. 07%, C =0. 02%, N =0. 01%, 0=0. 13%, H=O. 001%。
經(jīng)5kg和25kg真空自耗電弧爐熔煉4次，得到<()IOOmm直徑、重量IOkg的VAR鑄錠。
鑄錠經(jīng)扒皮、探傷、去冒口后在箱式電阻爐中1150°C加熱保溫2小時。
在750kg空氣錘上實(shí)施β相區(qū)開坯鍛造，實(shí)現(xiàn)鐓拔變形。I火次完成。
后續(xù)鍛造加熱溫度在980°C 1150°C之間，保溫廣2小時，實(shí)施跨〖鍛造和兩相區(qū)鍛造。中間到D 55+2_X55+2mm方棒時下料備測斷裂韌性,余料鍛至丨h(huán)+2mm棒材。4火次完成。
冷卻后對φ 35+2mm棒材進(jìn)行表面修磨。
置ψ 35+2mm棒材于箱式電阻爐中950°C加熱保溫I小時。
在橫列式熱軋機(jī)上進(jìn)行兩相區(qū)5道次軋制(橢圓-圓交替孔型)，得到14±0- 5mm黑皮軋棒。I火次完成。
中斷下料，經(jīng)750°C/ I h AC退火熱處理后余熱矯直，磨削加工至i 13+° !!!的磨光棒成品。
切取試樣進(jìn)行EB焊接試驗(yàn)，焊后進(jìn)行650°C / 2 h AC去應(yīng)力退火處理，機(jī)加試樣進(jìn)行可焊性測試。
切取試樣進(jìn)行室溫拉伸、斷裂韌性和沖擊韌性測試及高溫拉伸性能測試。
各種性能測試結(jié)果見表f表3。
制備并觀察各狀態(tài)下材料的金相顯微組織(典型組織見附圖4)。
表I新鈦合金的室溫拉伸性能
權(quán)利要求
1.一種a + 0兩相鈦合金，其特征在于其重量百分比的組成為Al :6. 59T7. 9%，Sn:I. 69T2. 6%, Zr :1. 69^2. 6%, Mo :1. 89^2. 8%, Cr :0. 99^2. 3%, Nb :1. 69^2. 6%, Ni :0. 8%"l. 8%,Si ( 0. 5%, Fe ( 0. 20%, C 彡 0. 10%, N 彡 0. 10 %，O 彡 0. 15 %，H 彡 0. 015%，其他雜質(zhì)總和< 0. 40%，余量為Ti。
2.—種a + 3兩相鈦合金的加工方法，其特征在于其加工過程的步驟依次包括 (1)將制得的鈦合金鑄錠，在1050°C 1250°C溫度下的P相區(qū)進(jìn)行開坯鍛造、鐓粗、拔長的變形加； (2)在980°C 1150°C溫度下，進(jìn)行P相區(qū)或近P相區(qū)鍛造； (3)在950°C溫度下，進(jìn)行(a+ ￠)兩相區(qū)或近0相區(qū)一火次多道次熱軋制；加工到需要的尺寸； (4)在650°C 750°C溫度下，進(jìn)行(a+ 0 )兩相區(qū)保溫退火f 2小時空冷。
全文摘要
一種α＋β兩相鈦合金及其加工方法，涉及一種航空航天及兵器領(lǐng)域應(yīng)用的超高強(qiáng)可焊短時耐熱(α＋β)兩相鈦合金及其加工方法。其特征在于其重量百分比的組成為Al6.5%~7.9%，Sn1.6%~2.6%，Zr1.6%~2.6%，Mo1.8%~2.8%，Cr0.9%~2.3%，Nb1.6%~2.6%，Ni0.8%~1.8%，Si≤ 0.5%，F(xiàn)e≤ 0.20%，C≤ 0.10%，N≤ 0.10%，O≤ 0.15%，H≤ 0.015%，其他雜質(zhì)總和≤0.40%，余量為Ti。本發(fā)明的鈦合金，可以采用電子束焊接方法進(jìn)行焊接，焊接后強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到0.8以上。鈦合金在室溫抗拉強(qiáng)度在1200MPa以上、最高可達(dá)1700MPa量級的超高強(qiáng)度鈦合金，該合金具有可進(jìn)行電子束焊接的特性，并具有短時600℃高溫下的耐熱性。
文檔編號C22C14/00GK102978437SQ20121047985
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者曲恒磊, 李明強(qiáng), 趙永慶, 李輝, 馮亮, 潘濤, 朱知壽 申請人:西部金屬材料股份有限公司