一種低成本高強度鈦鐵碳合金的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料科學(xué)和有色金屬及其合金領(lǐng)域，特別是鈦合金。
【背景技術(shù)】
[0002] 鈦是一種中低密度金屬（其密度為4. 5)，具有較高的比強度，中溫性能好，無磁 性，具有極強的耐腐蝕能力，焊接性能好，是性能優(yōu)異的金屬結(jié)構(gòu)材料，1〇〇余年來，在航空、 航天、艦船、核電、武器裝備、石油開采和生物醫(yī)學(xué)材料等高技術(shù)領(lǐng)域日益占據(jù)主導(dǎo)地位，其 主要發(fā)展趨勢為高性能和低成本化。
[0003] 通過加入各類0相穩(wěn)定元素即鉬、鎢、釩、鉻、鈮、鉭、錳、鈷等獲得的TB型鈦合金 強度較高，是高性能鈦合金研發(fā)應(yīng)用的重要內(nèi)容。由于一些0相穩(wěn)定元素熔點較高，難以 熔煉，例如釩（熔點1890°C)、鉬（熔點2610°C)、鉻（熔點1907°C)、鉭（熔點2996°C)、鎢 (熔點3380°C)，這些高熔點原料的使用必將提高鈦合金的制造成本。另外，根據(jù)粗略市場 調(diào)查，常用合金化元素的價格高昂，例如，釩（約3000元/KG)、鉬（約500元/KG)、鉻（約 650元/KG)、鉭（約4800元/KG)、鎢（約500元/KG)。綜合上述因素，不利于鈦合金的規(guī) 模化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種原料的熔點和成本均較低的低成本高強度鈦鐵碳合 金。該合金為一種具有較高鐵含量及較高碳含量的TB型鈦鐵碳合金。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是通過下述方式實現(xiàn)的：
[0006] 1、本發(fā)明的鈦鐵碳合金材料，其質(zhì)量百分比如下：Fe的含量為11-12%，C的含量 為0. 03-0. 07%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。
[0007] 2、本發(fā)明的制備方法為：按照合金給定配比稱取原料配制合金，將配好成分的合 金置于電弧爐的水冷銅坩堝中，利用真空非自耗電弧爐進(jìn)行熔煉，熔煉前電弧爐的背底真 空度高于2. 0X10 2Pa，弧焊電源電流工作范圍為300-500A，電壓工作范圍為15-30V(熔煉 過程中根據(jù)熔體狀態(tài)需要適當(dāng)調(diào)整熔煉設(shè)備相關(guān)參數(shù)）；熔煉完畢的合金錠隨坩堝冷卻， 為確保合金成分均勻，每個合金錠要在電弧爐中反復(fù)熔煉最少8次。熔煉均勻的合金從坩 堝中取出后，用于鑄造態(tài)樣品性能分析或后續(xù)加工。
[0008] 根據(jù)鐵鈦二元合金相圖，富鈦一端的合金由鈦基體和鐵鈦相組成，基體0鈦為體 心立方相，具有極佳的塑性，鐵鈦相作為合金化合物相，在基體中主要起到強化的作用。通 過合理選擇合金成分及加入其它合金元素的方法，實現(xiàn)細(xì)化基體組織和第二相，改善其形 貌和分布，可以進(jìn)一步提高合金的力學(xué)性能。
[0009] 本發(fā)明中Fe為主要合金化元素，C為微量合金化元素。本合金鑄造態(tài)基體組織全 部或大部分為0 _Ti，并存在一定數(shù)量的化合物相作為基體強化相。所用合金元素的作用包 括穩(wěn)定0相、固溶強化、第二相強化、改善合金微觀組織及降低合金中氧元素對性能的影 響等。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：
[0011] 1、本發(fā)明以鈦合金體系為對象，以鈦鐵兩種元素為合金主體，通過加入微量碳元 素，形成有較高強度和塑性的鈦合金。
[0012] 2、采用本發(fā)明配比的鈦合金不僅較容易熔煉，而且成本低廉。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明例1鑄態(tài)合金單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明例1鑄態(tài)合金的金相顯微組織照片圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明例2熱乳態(tài)合金的金相顯微組織照片圖。
【具體實施方式】
[0016] 實例 1
[0017] 用88. 5克純鈦絲和含碳量為0. 45%的鐵碳合金11. 5克原料配料，用非自耗真空 電弧爐熔煉。熔煉時電弧爐的背底真空度高于2. 0X10 2Pa，弧焊電源工作電流為400A，工 作電壓為20V。合金經(jīng)初次熔煉成一個整體后，在坩堝中翻面進(jìn)行二次熔煉，如此反復(fù)，共計 8次。待合金熔煉完畢后，用電火花線切割的方法從合金錠中切下尺寸為巾5X10_的合金 樣品，用帶引伸計的壓縮力學(xué)試驗機進(jìn)行力學(xué)性能測試，其結(jié)構(gòu)見表1。用光學(xué)顯微鏡、掃描 電子顯微鏡觀察了合金的顯微組織。從圖1的鑄態(tài)合金的壓縮力學(xué)性能測試表明，其屈服 強度為1149MPa(工程應(yīng)力），延伸率為31 % (工程應(yīng)變），壓縮斷裂強度為2545MPa(工程 應(yīng)力）。測試結(jié)果表明，該鑄態(tài)合金不但具有較高的屈服強度，而且在壓縮載荷作用下體現(xiàn) 出極高的應(yīng)變強化特征，斷裂強度極高、塑性極佳。從圖2所示的鑄態(tài)合金的金相顯微組織 照片圖可以看出：合金的顯微組織由鈦基體和在基體中均勻分布的強化相組成，其中鈦基 體的晶粒尺寸超過200微米，其強化相主要分布于晶粒內(nèi)部。
[0018] 實例 2
[0019] 用88. 5克純鈦絲和含碳量為0. 56%的鐵碳合金11. 5克原料配料，用非自耗真空 電弧爐熔煉。熔煉時電弧爐的背底真空度高于2. 0X10 2Pa，弧焊電源工作電流為420A，工 作電壓為30V。合金經(jīng)初次熔煉成一個整體后，在坩堝中翻面進(jìn)行二次熔煉，如此反復(fù)，共計 8次。
[0020] 待合金反復(fù)多次熔煉均勻后，用電火花線切割從合金錠中切下長寬高分別為40、 40、15的合金樣品，于900°C進(jìn)行多道次乳制，道次變形量控制在10%以內(nèi)，總變形量為 60%以上，乳制后合金用水淬或空冷的方式冷至室溫。將合金板用電火花線切割成拉伸 及壓縮試樣，用帶有引伸計的拉伸力學(xué)試驗機進(jìn)行力學(xué)性能測試，其結(jié)果如表1。用光學(xué)顯 微鏡、掃描電子顯微鏡觀測了合金的顯微組織圖，如圖3所示，從圖3所示的熱乳態(tài)合金的 金相顯微組織照片圖可以看出，合金的顯微組織由鈦基體和在基體中均勻分布的強化相組 成，其中鈦基體的晶粒尺寸與鑄造態(tài)相比顯著細(xì)化，并且呈現(xiàn)出明顯的取向性。
[0021] 表1本發(fā)明合金不同制備態(tài)的一些基本力學(xué)性能參數(shù)
[0022]
【主權(quán)項】
1. 一種低成本高強度鈦鐵碳合金，其特征在于：其質(zhì)量百分比如下：Fe的含量為 11-12%，C的含量為0. 03-0. 07%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。
【專利摘要】一種低成本高強度鈦鐵碳合金，其特征在于：其質(zhì)量百分比如下：Fe的含量為11-12％，C的含量為0.03-0.07％，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明以鈦合金體系為對象，以鈦鐵兩種元素為合金主體，通過加入微量碳元素，使其成為具有較高強度和塑性的鈦合金；采用本發(fā)明配比的鈦合金不僅較容易熔煉，而且成本低廉。
【IPC分類】C22C14/00
【公開號】CN105112723
【申請?zhí)枴緾N201510518179
【發(fā)明人】賈元智, 劉睿超, 劉延國, 馬明臻, 劉日平
【申請人】燕山大學(xué)
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年8月21日