本發(fā)明涉及新型鈦合金
技術領域：
，具體涉及一種新型低成本、高塑性、耐海水腐蝕鈦合金，該鈦合金適于被制作成棒絲材、板材、管材等，可被廣泛應用于航空、航天、海洋等
技術領域：
。
背景技術：
：鈦合金因具有較高的比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性能，在航空、航天、海洋等領域獲得了廣泛的應用，其中以Ti-6Al-4V合金較為典型。鈦元素在地殼中所占比例為0.6％，僅次于鋁、鐵、鎂三種元素。然而與巨大的儲量相對應的是鈦合金在不同領域內的使用量相對鋁合金、鋼明顯較低，限制鈦合金廣泛應用的主要壁壘是其相對于鋼鐵等材料較高的成本。鈦合金成本較高與原材料成本、鈦合金加工生產(chǎn)過程中的材料損耗直接相關。以Ti-6Al-4V合金為例，原材料主要由海綿鈦、V-Al中間合金及純鋁組成，其中海綿鈦價格約為50元/公斤，而V-Al合金(V重量百分比65％)價格為180元/公斤，純Al為30元/公斤。另外為了提高Ti-6A-4V的耐海水腐蝕性能，通常添加重量百分比為0.1％的Ru元素，而Ru粉價格超過20000元/公斤。由原材料成本組成可見，V、Ru等貴重金屬是導致鈦合金原材料成本較高的重要原因之一。鈦合金的加工過程一般分為鑄錠熔煉、鑄錠開坯鍛造、成形鍛造/軋制等工藝流程。鈦合金熱加工過程中，由于不可避免受到溫降等因素的影響，坯料表面容易出現(xiàn)折疊、裂紋等缺陷，圖1為Ti-6Al-4V合金熱加工后的表面缺陷。在鈦合金進入下一加工工序前，表面缺陷必須被徹底清理以防形成成品缺陷。清理表面缺陷導致了大量的材料浪費，降低了材料成材率。另外在鈦合金板材、管材加工成形過程中，通常材料冷/溫加工提高制品的表面質量。由于鈦合金具有明顯的加工硬化效應，且室溫塑性較低，如Ti-6Al-4V合金室溫拉伸塑性約15％，在冷/溫加工過程中需多次進行消應力熱處理，增加 了加工次數(shù)，提高了材料加工成本。通過以上分析可知，目前鈦合金制品成本較高的部分原因是原材料中的貴重金屬組成、材料加工過程中加工周期長、材料加工損耗高等多種因素。因此若能夠以價格較低的合金元素替代V、Ru等貴重元素，并且通過調整成分組成來改善合金的加工性能，提高成材率，將有效地降低鈦合金制品的成本。技術實現(xiàn)要素：為了進一步降低鈦合金成本，并擴大鈦合金的應用范圍，本發(fā)明的目的在于提供一種新型低成本、高塑性、耐海水腐蝕鈦合金，通過降低V、Ru等貴重元素的用量，添加Fe、Cu等廉價金屬，在保障鈦合金力學性能的前提下，不僅降低了原材料成本，還提高了鈦合金成材率，綜合有效降低了鈦合金的成本。本發(fā)明的具體技術方案如下：一種新型低成本、高塑性、耐海水腐蝕鈦合金，按重量百分含量計，該鈦合金化學成分為：Al：3.0～4.5％，V：2.0～3.0％，F(xiàn)e：0.5～1.5％，Cu：0.5～2.0％，余量為Ti及不可避免的雜質元素。該鈦合金化學成分中，V元素含量優(yōu)選為2.0～2.6wt.％，F(xiàn)e元素含量為0.6～1.2wt.％，Cu元素含量為0.8～1.9wt.％。該鈦合金所包含的雜質元素中，O<0.06wt.％，N<0.01wt.％，H<0.001wt.％。本發(fā)明鈦合金按照如下步驟進行制備：(1)按照合金中各元素比例，將原料海綿鈦、V-Al合金、Fe粉和Cu屑制備成電極，利用真空自耗爐熔煉出鈦合金鑄錠；此外也可添加鈦合金返回料來進一步降低原材料成本；(2)將鑄錠在β單相區(qū)開坯鍛造，而后在α+β兩相區(qū)進行熱變形處理，進一步細化晶粒；(3)根據(jù)最終產(chǎn)品所需形式及規(guī)格，采用冷變形或溫變形來制備鈦合金的薄板或管材。本發(fā)明鈦合金的室溫拉伸性能為：抗拉強度Rm≥750MPa，屈服強度Rp0.2≥650MPa，延伸率A≥18％，斷面收縮率Z≥45％；室溫沖擊韌性≥50J。本發(fā)明鈦合金設計原理如下：1、在使合金力學性能與Ti-6Al-4V合金的前提下，原材料成本大幅度降低。與與Ti-6Al-4V合金相比，削減了約40％的V元素的用量，采用價格低廉的Fe粉、Cu屑等替代材料。通過合金強度理論計算，使優(yōu)化后的合金具有與Ti-6Al-4V合金相當?shù)膹姸人健?、通過添加Fe、Cu元素，活躍了該合金的塑性變形程度，使合金的變形能力大幅度提高，減少了鈦合金加工過程中的材料損耗，縮短了加工流程，進一步降低了材料成本。這主要歸結于以下三方面作用：(a)α-Ti具有密排六方晶體結構，在塑性變形過程中，密排六方結構中硬取向晶?？山柚w變形直接轉變?yōu)檐浫∠蚓Я?，對于?Ti及其合金，合金元素Fe的加入可降低這種轉變的激發(fā)能，從而有助于塑性變形；(b)重量百分比約為0.5％～1.5％的Fe及0.5％～2.0％Cu元素的均能夠在β-Ti中富集，在該成分范圍內恰好能夠使局部在塑性變形過程中發(fā)生“相變增塑”及“相變增韌”等有益效果，大幅度提高了鈦合金的塑性變形能力。(c)部分Cu能夠與Ti反應生成TiCu脆性化合物，降低材料的塑性及韌性，而Fe元素則能夠顯著抑制過量脆性TiCu脆性化合物的生成，適量的Fe、Cu兩種元素及其之間的交互作用共同使該合金體系具有較好的塑性及韌性。3、Fe、Cu元素的添加使該合金體系具有較好的抗海水腐蝕能力，避免了Ru等貴重金屬的使用。為了提高Ti-6A-4V的耐海水腐蝕性能，通常添加重量百分比為0.1％的Ru元素，而Ru粉價格超過20000元/公斤。對本發(fā)明提出的成分組成在不同濃度的NaCl溶液中進行了極化曲線測試及50天浸泡試驗，發(fā)現(xiàn)Fe、Cu的添加能夠顯著提高鈦合金的抗海水腐蝕能力，而其作用機制與兩種元素的單獨作用及兩者的交互作用相關。單質Cu價格約為50元/公斤，相比于Ru粉20000元/公斤，每噸鈦合金節(jié)約原材料成本約19000元。相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：1、本發(fā)明合金原材料成本較低，熱加工塑性較好，成材率較高，成本顯著降低。2、本發(fā)明合金退火后的室溫拉伸強度與Ti-6Al-4V合金相當，而其室溫塑性更高，適合于板材、管材的冷加工、溫加工成形。3、本發(fā)明合金的耐海水腐蝕性能獲得進一步提升。4、本發(fā)明鈦合金適于生產(chǎn)棒絲材、板材、管件等多種類型的鈦合金制品， 可被廣泛應用于航空、航天、海洋等
技術領域：
。附圖說明圖1為Ti-6Al-4V合金熱變形后表面出現(xiàn)的裂紋、折疊等缺陷。圖2為2#成分合金熱變形后表面出現(xiàn)明顯的裂紋、折疊等缺陷。圖3為Ti-6Al-4V合金與2#合金室溫拉伸真應力-真應變曲線。圖4為Ti-6Al-4V合金與2#成分合金在重量百分比為3％的NaCl溶液中的極化曲線。圖5為Ti-6Al-4V合金在重量百分比為7％的NaCl溶液中浸泡7周后的表面形貌。圖6為2#成分合金在重量百分比為7％的NaCl溶液中浸泡7周后的表面形貌。圖7為1#成分鈦合金不同熱處理工藝下的室溫拉伸強度。圖8為1#成分鈦合金不同熱處理工藝下的室溫拉伸延伸率。圖9為2#成分鈦合金不同熱處理工藝下的室溫拉伸強度。圖10為2#成分鈦合金不同熱處理工藝下的室溫拉伸延伸率。圖11為3#成分鈦合金不同熱處理工藝下的室溫拉伸強度。圖12為3#成分鈦合金不同熱處理工藝下的室溫拉伸延伸率。圖13為2#合金在重量百分比為3.5％的NaCl溶液中浸泡7周后的表面形貌。圖14為2#合金在重量百分比為14％的NaCl溶液中浸泡7周后的表面形貌。具體實施方式以下結合附圖及實施例詳述本發(fā)明。以下實施例及對比例中，熔煉了7種不同化學成分的Ti-Al-V-Fe-Cu系鈦合金，合金成分見表1。各合金原料經(jīng)過鑄錠開坯鍛造、棒材精鍛，最終制備出直徑60mm的棒材，具體過程為：按照化學成分組成，配料并制備了熔煉電極，采用3次真空自耗方法熔煉鈦合金，鑄錠規(guī)格為100kg。將鑄錠在1150℃開坯鍛造，在1050℃鐓拔破碎晶粒，而后在α+β兩相區(qū)880℃鍛造成直徑120mm的棒材，最終通過精鍛工序在880℃鍛造成直徑60mm的棒材。將直徑60mm棒材進行熱 處理，表2中列出了7種成分棒材經(jīng)經(jīng)熱處理(750℃保溫3小時后空冷)后測試得到的室溫拉伸、沖擊性能。表1熔煉的7種低成本鈦合金以及與Ti-6Al-4V合金對比表2熔煉的7種鈦合金的拉伸性能、沖擊性能對比實施例1-3表2中，1#、2#、3#合金的拉伸強度基本與Ti-6Al-4V相當?shù)那闆r下，而塑性及韌性均明顯提升。這主要歸結于適量的Fe、Cu元素能夠降低塑性變形激活能、產(chǎn)生“相變增塑”及“相變增韌”有益效果以及兩種元素的交互作用，綜合提高了鈦合金的塑性及韌性。此外本發(fā)明中包含的1#、2#、3#低成本鈦合金與Ti-6Al-4V合金在化學成分相比，通過降低價格較高的釩元素用量，增加價格較低的鐵、銅元素用量，并進一步優(yōu)化各元素含量匹配，使新型鈦合金的原材料成本較Ti-6Al-4V合金顯著降低。本發(fā)明中通過添加Fe、Cu元素，合金的高溫塑性變形能力獲得了明顯提升。如圖1顯示，Ti-6Al-4V合金鑄錠在1050度保溫后經(jīng)過三鐓三拔后表面出現(xiàn)明顯的裂紋、折疊等缺陷，導致材料大量損耗。圖2顯示了2#成分的合金在經(jīng)過同樣的熱變形后的表面形貌，可以看出，添加Fe、Cu元素后材料表面并未出現(xiàn)類似于Ti-6Al-4V合金的明顯缺陷。圖3為Ti-6Al-4V合金與3#合金室溫拉伸真應力-真應變曲線對比，可以看出，2#合金具有明顯的塑性優(yōu)勢。材料塑性變形優(yōu)勢將減少材料損耗，縮短加工流程，最終降低材料是加工成本。通過添加價格較低的Fe、Cu元素，合金的耐海水腐蝕性能通過獲得了提升。圖4為Ti-6Al-4V合金與2#合金在重量百分比為3.5％的NaCl溶液中的極化曲線，可以看出，后者的耐蝕性能更高。圖5、圖6分別為Ti-6Al-4V合金、2#合金在重量百分比為7％的NaCl溶液中浸泡7周后的表面形貌，可以看出，Ti-6Al-4V合金浸泡后表面出現(xiàn)了明顯了逐層剝落，腐蝕特征明顯，而3#合金表面未表現(xiàn)出明顯的腐蝕行為。對比例1-2表1及表2中，對比例1中4#合金較3#合金將Fe元素降低至0.4％，但其拉伸性能、沖擊性能均同時降低，這是由于0.4％的Fe元素無法產(chǎn)生明顯的活躍塑性變形的作用。對比例2中5#合金較3#合金將Fe元素提高至2.0％，此時強度略有提升，但塑性及韌性降低，這是由于增加Fe元素雖然能提高固溶強化效果，但過量的Fe元素能夠與Ti發(fā)生反應生成TiFe化合物，降低塑性及韌性， 此外低成本鈦合金中Fe元素通過Fe粉或Fe釘添加，F(xiàn)e元素含量較高增加了熔煉難度，易導致成分偏析。因此本發(fā)明成分體系中，F(xiàn)e元素的最佳成分范圍是重量百分比為0.5％～1.5％。對比例3-4表1及表2中，對比例3中6#合金較2#合金是將Cu元素含量提升至2.5％，此時合金的塑性及韌性顯著降低，這主要歸結于Cu含量過高時能夠生成過量的TiCu脆性化合物，降低材料的塑性及韌性。對比例4中7#合金較2#合金將Cu元素降低至0.35％，此時合金的強度、塑性、韌性均不突出，綜合性能較低，并且Cu含量較低時無法提升鈦合金的抗海水腐蝕性能。因此本發(fā)明成分體系中，Cu元素的最佳成分范圍是重量百分比為0.5％～2.0％。實施例4按照化學成分組成，配料并制備了熔煉電極，采用3次真空自耗方法熔煉了兼顧低成本、高塑性、耐海水腐蝕特性的鈦合金，鑄錠規(guī)格為100kg，綜合性能較好的3種化學組成為表1中的1#、2#、3#合金。將鑄錠在1150℃開坯鍛造，在1050℃鐓拔破碎晶粒，而后在α+β兩相區(qū)880℃鍛造成直徑120mm的棒材，最終通過精鍛工序在880℃鍛造成直徑60mm的棒材。將直徑60mm棒材進行8種不同熱處理，熱處理規(guī)范如表3所示。對熱處理后的棒段進行取樣分析，檢測材料的拉伸強度及塑性。表3本發(fā)明中所涉及的8種熱處理制度編號熱處理規(guī)程1750℃保溫3小時空冷2880℃保溫1.5小時空冷3880℃保溫1.5小時空冷，450℃保溫4小時空冷4880℃保溫1.5小時空冷，500℃保溫4小時空冷5880℃保溫1.5小時空冷，550℃保溫4小時空冷6880℃保溫1.5小時空冷，600℃保溫4小時空冷7880℃保溫1.5小時空冷，650℃保溫4小時空冷8880℃保溫1.5小時空冷，700℃保溫4小時空冷圖7、圖8分別為1#成分鈦合金不同熱處理工藝下的室溫拉伸強度及延伸率，圖9、圖10分別為2#成分鈦合金不同熱處理工藝下的室溫拉伸強度及延伸率，圖11、圖12分別為3#成分鈦合金不同熱處理工藝下的室溫拉伸強度及延伸率。可以看出，熱處理工藝方案1、方案2條件下，雖然幾種合金的室溫拉伸強度略低于其它幾種熱處理方案，但室溫延伸率更高，塑性變形性能更加優(yōu)異。在實際應用中，可根據(jù)應用需求，選擇不同的合金成分及配套的熱處理工藝。實施例5以表1中的2#成分合金為對象，開展了該合金在3種不同濃度的NaCl溶液中的腐蝕行為研究，NaCl溶液濃度分別為3.5％、7％、14％(重量百分比)，材料在以上NaCl溶液中浸泡7周后的表面形貌分別如圖13、圖6、圖14所示?？梢钥闯觯谝陨?種NaCl溶液中浸泡7周后，未發(fā)生明顯的腐蝕行為，表明合金的抗海水腐蝕性能良好。當前第1頁1 2 3