專利名稱：一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多元強(qiáng)化的亞穩(wěn)β鈦合金，具體涉及一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金。
背景技術(shù)：
鈦合金具有密度低、耐腐蝕和剪切模量低等優(yōu)點(diǎn)，是理想的彈簧用材料。β鈦合金具有良好的冷加工性及高的時(shí)效硬化效應(yīng)，是彈簧用鈦合金的首選材料。目前，β鈦合金彈簧主要用于飛機(jī)制造中，與鋼彈簧相比，大約減重70%，節(jié)約空間50%?，F(xiàn)有的彈簧用β合金如美國的 Ti-13V-llCr-3Al、Ti-ll. 5Mo-4Sn-6Zr、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo_4Zr 等。我國目前尚未在飛機(jī)制造中使用鈦合金彈簧，但已經(jīng)用Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al、Ti-10Mo-8V-lFe-3. 5A1等合金進(jìn)行了鈦合金彈簧的制備及研究工作。這些亞穩(wěn)β鈦合金一般用于1200MPa HOOMPa的強(qiáng)度水平，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度將會(huì)使這些合金的塑性明顯惡化，而且其疲勞強(qiáng)度 一般低于800MPa(R = 0. 1，cycles=107)。有兩個(gè)缺點(diǎn)限制了現(xiàn)有亞穩(wěn)定β在非航空領(lǐng)域的應(yīng)用一是含有大量的同晶型β穩(wěn)定元素，成本一般較高；另一個(gè)缺點(diǎn)是時(shí)效響應(yīng)緩慢，析出相不均勻，導(dǎo)致材料疲勞性能不高。美國 ΜΕΤ公司開發(fā)了低成本的β鈦合金TimetalLCB (Ti-6. 8Mo-4. 5Fe_l. 5A1)，該合金時(shí)效后抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1500MPa以上，并保持著航空彈簧用鈦合金的優(yōu)異性能。Timetal LCB鈦合金制備的懸簧在德國大眾汽車公司的LupoFSI汽車上獲得成功應(yīng)用，但該合金仍然存在析出相不均勻?qū)е虏牧掀谛阅懿桓叩膯栴}。因此針對汽車等新的民用需求，急需開發(fā)適于彈簧制備的低成本且具有高疲勞性能的新型β鈦合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種具有良好加工性、時(shí)效響應(yīng)快、疲勞性能高的含碳的超高強(qiáng)鈦合金。該含碳的超高強(qiáng)鈦合金適用汽車等非航空領(lǐng)域?qū)Τ邚?qiáng)鈦彈簧的需求。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成Al I. 5°/Γ3%，Μο3. 09Γ5. 0%，Cr 4%飛％，F(xiàn)e
2.09Γ3. 5%，C O. 089Γ0. 16%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)，該超高強(qiáng)鈦合金固溶時(shí)效后室溫抗拉強(qiáng)度為1400MPa-1650MPa。上述的一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成A1
3.0%, Mo 5. 0%, Cr 6. 0%, Fe 2. 0%, C O. 08%，余量為 Ti 和不可避免的雜質(zhì)。上述的一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成A12. 7%, Mo 4. 0%, Cr 4. 0%, Fe 3. 0%, C O. 13%，余量為 Ti 和不可避免的雜質(zhì)。上述的一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成A1
1.5%, Μο4· 5%, Cr 5. 5%, Fe 2. 5%, CO. 16%，余量為 Ti 和不可避免的雜質(zhì)。上述的一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成A1
2.0%, Mo 3. 0%, Cr 4. 5%, Fe 3. 5%, C O. 11%，余量為 Ti 和不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明的制備方法為鈦合金的常規(guī)制備方法根據(jù)需要選擇鋁鑰合金、低碳鉻鐵、鑰鐵合金、碳化鉻與海綿鈦按設(shè)計(jì)成分混合壓制電極，經(jīng)真空自耗電弧重熔法得到合金鑄錠，合金錠在液壓鍛造機(jī)或鍛錘等自由鍛造設(shè)備上進(jìn)行開坯鍛造，在精鍛機(jī)或自由鍛設(shè)備上進(jìn)行軋制棒坯制備，然后進(jìn)行棒絲材軋制或拉制，經(jīng)多火次或多道次的冷軋后進(jìn)行退火或強(qiáng)化熱處理得到最終成品。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明含碳的超高強(qiáng)鈦合金中Cr、Fe、C以鉻鐵合金和碳化鉻粉的形式加入，該合金熱塑性優(yōu)良，固溶態(tài)可進(jìn)行冷拉加工，固溶時(shí)效后抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1500MPa以上，保持良好的塑性，與常見的亞穩(wěn)定β鈦合金相比，成本較低，冷、熱加工性相當(dāng)，時(shí)效響應(yīng)更快，疲勞強(qiáng)度更高，易于生產(chǎn)，滿足非航空領(lǐng)域彈簧應(yīng)用 對低成本超高強(qiáng)鈦合金的需求。下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明含碳的超高強(qiáng)鈦合金，所涉及的中間合金包括鋁鑰合金、鉻鐵合金、鑰鐵合金、金屬鉻、碳化鉻、鋁豆等，所使用的海綿鈦為O級或I級。本發(fā)明含碳的低成本超高強(qiáng)鈦合金的重量百分比組成為A1 1.5% 3%，Mo 3.0% 4.5%，Cr 4% 6%，F(xiàn)e 2. 0% 3. 5%，CO. 089Γ0. 16%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)需要選擇合適的中間合金，將中間合金與海綿鈦按設(shè)計(jì)成分混合壓制電極，用常規(guī)真空自耗電弧爐經(jīng)二次或三次熔煉鑄成合金錠，合金錠在1050°C -1180°C溫度下開坯鍛造，中間過程鍛造溫度為900°C _1050°C，熱軋及熱拉溫度控制在770°C -900°C，合金成品經(jīng)750°C _850°C固溶和460°C _550°C時(shí)效處理后使用。本發(fā)明鈦合金固溶時(shí)效強(qiáng)化熱處理后的室溫拉伸性能為σ b: 1400MPa-1650MPa,σ 0 2:1300-1580MPa, δ 7% 13%，疲勞強(qiáng)度 800MPa_950MPa(R = O. I, cycles=107)。實(shí)施例I本實(shí)施例鈦合金的名義成分為Ti-3Al-5Mo-6Cr-2Fe_0. 08C,即按重量百分比計(jì)為Al:3. 0%，Mo:5. 0%,Cr:6. 0%,Fe:2. 0%,C:0. 08%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。原料選用為A1-60MO中間合金、FeCr69C0. 25低碳鉻鐵、金屬鉻、碳化鉻、O級海綿鈦。將中間合金與海綿鈦按設(shè)計(jì)成分混合壓制電極后用真空自耗電弧爐經(jīng)二次熔煉鑄成合金錠。鑄錠中C的實(shí)測含量為O. 08%-0. 09%，合金錠在1150°C溫度下開坯鍛造成直徑160mm棒還,在900°C精鍛成直徑50mm圓棒,然后在860°C軋制成直徑20mm圓棒。本實(shí)施例合金成品棒材經(jīng)830°C/30min (固溶處理)+500°C/360min (時(shí)效處理)固溶時(shí)效處理后的室溫拉伸性能為ob1590MPa, o0 21480MPa, δ 9% ;疲勞強(qiáng)度為920MPa(R = O. I, cycles=107)實(shí)施例2本實(shí)施例鈦合金的名義成分為Ti-2. 7Al-4Mo-4Cr-3Fe-0. 13C，即按重量百分比計(jì)為Al:2. 7%,Mo:4. 0%，Cr:4. 0%,Fe:3. 0%,C:0. 13%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。原料選用為Α1-60Μο中間合金、鉻粒、FeCr55C0. 25低碳鉻鐵、I級海綿鈦。將中間合金與海綿鈦按設(shè)計(jì)成分混合壓制電極后用真空自耗電弧爐經(jīng)二次熔煉鑄成合金鑄錠，合金鑄錠中C的實(shí)測含量為O. 11%-0. 12%，合金鑄錠在1100°C溫度下開坯鍛造成150mm方棒還,在950°C鍛造成45mm方棒,然后在820°C軋制成直徑15mm圓棒。本實(shí)施例合金成品棒材經(jīng)780°C /30min (固溶處理)+460°C /480min (時(shí)效處理)固溶時(shí)效處理后的室溫拉伸性能為ob1650MPa, o0 21540MPa, δ 7% ;疲勞強(qiáng)度為950MPa(R = O. I, cycles=107)。實(shí)施例3本實(shí)施例鈦合金的名義成分為Ti-1. 5A1-4. 5Mo_5. 5Cr_2. 5Fe_0. 16C，即按重量百分比計(jì)為Al :1. 5%,Mo:4. 5%, Cr: 5. 5%,Fe: 2. 5%,C:0. 16%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。原料選用為Α1-60Μο中間合金、金屬鉻、Fe-60Mo中間合金、碳化鉻、O級海綿鈦。將中間合金與海綿鈦按設(shè)計(jì)成分混合壓制電極后用真空自耗電弧爐經(jīng)二次熔煉鑄成合金鑄錠，合金鑄錠中C的實(shí)測含量為O. 15%-0. 17%，合金鑄錠在1100°C溫度下開坯鍛造成直徑160mm棒坯，在980V精鍛成直徑50mm圓棒，然后在780°C軋制成直徑12mm圓棒。
本實(shí)施例合金成品棒材經(jīng)750°C /60min (固溶處理)+500°C /360min (時(shí)效處理)固溶時(shí)效處理后的室溫拉伸性能為ob:1530MPa，σ02 1420MPa, δ :10% ;疲勞強(qiáng)度為900MPa(R = O. I, cycles=107)。實(shí)施例4本實(shí)施例鈦合金的名義成分為Ti-2Al-3Mo_4. 5Cr_3. 5Fe_0. 11C，即按重量百分比計(jì)為Al:2. 0%，Mo:3. 0%,Cr:4. 5%,Fe:3. 5%,C:0. 11%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。原料選用為Α1-60Μο中間合金、FeCr55C0. 25低碳鉻鐵、碳化鉻、O級海綿鈦。將中間合金與海綿鈦按設(shè)計(jì)成分混合壓制電極后用真空自耗電弧爐經(jīng)二次熔煉鑄成合金鑄錠，合金鑄錠中C的實(shí)測含量為O. 14%-0. 16%，合金鑄錠在1050°C溫度下開坯鍛造成直徑120mm圓棒坯，在1050°C鍛造成45mm方棒，然后在900°C經(jīng)兩火次軋制成直徑1 2mm圓棒。本實(shí)施例合金成品棒材經(jīng)800°C /30min (固溶處理)+550°C /240min (時(shí)效處理)固溶時(shí)效處理后的室溫拉伸性能為ob1450MPa, o0 21340MPa, δ 12% ;疲勞強(qiáng)度為830MPa(R = O. I, cycles=107)。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成AlI.5% 3%，Mo 3. 0% 5. 0%, Cr 4% 6%，F(xiàn)e 2. 0% 3. 5%, CO. 08% 0· 16%,余量為 Ti 和不可避免的雜質(zhì)，該超高強(qiáng)鈦合金固溶時(shí)效后室溫抗拉強(qiáng)度為1400MPa-1650MPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成Al 3.0%，Mo 5.0%，Cr 6.0%，F(xiàn)e 2. 0%，C O. 08%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成Al 2.7%，Mo 4.0%，Cr 4. 0%，F(xiàn)e 3. 0%, C O. 13%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成A1 I. 5%，Μο4· 5%，Cr 5. 5%，F(xiàn)e 2. 5%，CO. 16%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，其特征在于，由以下重量百分比的成分組成Al 2. 0%，Μο 3.0%，Cr 4.5%，F(xiàn)e 3. 5%，C O. 11%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含碳的超高強(qiáng)鈦合金，由以下重量百分比的成分組成Al 1.5%~3%，Mo 3.0%~5.0%，Cr 4%~6%，F(xiàn)e 2.0%~3.5%，C0.08%~0.16%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明含碳的超高強(qiáng)鈦合金中Cr、Fe、C以鉻鐵合金和碳化鉻粉的形式加入，該合金熱塑性優(yōu)良，固溶態(tài)可進(jìn)行冷拉加工，固溶時(shí)效后室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1650MPa，保持良好的塑性，與常見的亞穩(wěn)定β鈦合金相比，成本較低，冷、熱加工性相當(dāng)，時(shí)效響應(yīng)更快，疲勞強(qiáng)度更高，易于生產(chǎn)，滿足非航空領(lǐng)域彈簧應(yīng)用對低成本超高強(qiáng)鈦合金的需求。
文檔編號C22F1/18GK102965542SQ20121054534
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者葛鵬, 馬朝利, 周偉, 李倩 申請人:西北有色金屬研究院