一种低成本钛合金及其制备方法

摘要

本发明涉及一种低成本钛合金及其制备方法，合金成分按重量百分比计为Al：0～3％，Cr：1.6～4％，Fe：1～2％，Si：0.01～0.13％，B：0～0.1％，余量为钛，其中Cr/Fe为1.6～2.0，所述钛合金的Kβ值范围是0.5～0.95，Kβ计算公式如下所示：Kβ＝C1/CK1+C2/CK2+C3/CK3+…+Cn/CKn，其中Cn为合金元素在合金内的重量含量％，Ck为常用β稳定元素的临界浓度(wt％)。将海绵钛、铬铁中间合金、单质硼、铁单质和/或铝豆，按所述的合金成分分层布料压制电极，用真空自耗熔炼炉二次熔炼得到铸锭。本发明合金的原材料成本低，且基本力学性能与Ti-6Al-4V相当。

权利要求

1.一种低成本钛合金，合金成分按重量百分比计为Al：0～3%，Cr：1.6～4%，Fe：1～

2%，Si：0.01～0.13%，B：0～0.1%，余量为钛，其中Cr/ Fe为1.6～2.0，所述钛合金的Kβ值范围是0.5～0.95，Kβ计算公式如下所示：Kβ=C1/CK1 +C2/CK2+C3/CK3 +···+Cn/CKn，其中Cn为合金元素在合金内的重量含量%，Ck为常用β稳定元素的临界浓度，wt%；将海绵钛、铬铁中间合金、单质硼、铁单质和/或铝豆，按所述的合金成分分层布料压制电极，用真空自耗熔炼炉二次熔炼得到铸锭。

2.根据权利要求1所述的低成本钛合金，其特征在于：所述合金中含有杂质元素的重量不高于0.30%。

说明书

一种低成本钛合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种低成本钛合金及其制备方法，属于合金材料领域。

背景技术

[0002] 钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能优异、对环境无污染等一系列的优点，使其大量应用于航空、航天、舰船、兵器以及化学工业等领域，而且作为汽车用材很早就引起人们的重视。目前工业钛合金中合金化元素多使用V、Mo、Nb、Zr、Sn和Ta等贵重元素，使钛合金的制造成本和使用成本居高不下，影响了钛合金的推广应用。

[0003] 目前降低钛合金制造成本和使用成本的途径有：通过改进原材料(海绵钛)的生产方式来降低原材料的成本、采用廉价合金化元素、简化钛合金的加工工艺、优化钛制品的加工技术等各种方法。其中采用廉价合金化元素的特点是采用了相对于Al-V合金廉价的Mo-Fe合金作为中间合金达到降低原材料成本的目的，然而，Mo仍然是贵重元素，成本降低有限；采用Fe、Al、Si、Cr、N、C和B等资源丰富的元素能达到大幅度降低钛合金成本。Cr、Fe为共析型β稳定元素，在Ti合金、Ti-Al合金中存在共析转变，含量较高时可能生成化合物相，引起脆性，因此在合金元素选择及加入量方面应综合考虑。

[0004] 目前，关于廉价合金化元素方面的相关研究包括：

[0005] 授权公告号为CN 101348876B，发明名称为《一种低成本高强度钛合金》的中国发明专利，其技术方案为采用Al-V或Fe-V中间合金、电解铬、纯钛或钛合金车屑、工业铁和海绵钛按设计成分混合压制电极，用常规真空自耗电弧炉二次熔炼铸成合金锭，合金成分的重量百分比组成为：Al：4％-6％，V：1.9％-2.9％，Cr：1％-3％，Fe：1％-3％，余量为Ti和不可避免的杂质。合金热处理后的拉伸性能为：抗拉强度为1000MPa-1358MPa，屈服强度为930MPa-1270MPa，延伸率为9％-18％，断面收缩率为20％-50％。该合金与Ti-6Al-4V相比成本降低，但合金中仍然含有Al-V或Fe-V中间合金，且铬和铁的加入形式为电解铬和工业铁。

[0006] 授权公告号为CN101403058B，发明名称为《一种低成本α+β型钛合金》的中国发明专利，公开的钛合金成分按重量百分数计为：Al：4.5-8％、Cr：0.3-3％、Fe：0.3-2％，其余为Ti和不可避免的杂质；合金中还可含有Mo：0-3％、Sn：0-3％或Zr：0-3％；其中Cr以铝铬中间合金的形式加入，Fe以铝铁中间合金的形式加入。该合金冷轧板材(0.8mm)沿轧向取样，室温力学性能为：抗拉强度870-1000MPa，屈服强度780-900MPa，伸长率16-31％；0.8-2mm厚Ti-6Al-4V板材的室温性能为抗拉强度925MPa，屈服强度870MPa，伸长率＞
10％；其室温力学性能与Ti-6Al-4V相当。

[0007] 又如公开号为CN1962913A，发明名称为《一种可调节性能的低成本钛合金》的中国发明专利，在钛中加入Al、Fe、Cr、Ni、S、B、C、Mo等八种元素，其中合金成分按重量分数计：Al：0-3.5％，Fe：0.3-2.0％，Cr：0.1-0.5％，合金力学性能可调范围为：抗拉强度为350MPa-1250MPa，延伸率为5％-30％，断面收缩率为10％-55％；但合金中含有价格较高的金属Ni和Mo，一定程度上提高了合金的成本。

发明内容

[0008] 本发明的目的是以采用廉价的Cr-Fe合金或单质铁作为中间合金为出发点，提供一种低成本钛合金及其制备方法。

[0009] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0010] 一种低成本钛合金，合金成分按重量百分比计为Al：0～3％，Cr：1.6～4％，Fe：1～2％，Si：0.01～0.13％，B：0～0.1％，余量为钛，其中Cr/Fe为1.6～2.0，所述钛合金的Kβ值范围是0.5～0.95，Kβ计算公式如下所示：

[0011] Kβ＝C1/CK1+C2/CK2+C3/CK3+…+Cn/CKn

[0012] 其中Cn为合金元素在合金内的含量(wt％)，Ck为常用β稳定元素的临界浓度(wt％)：Mo为10，Mn为6.4，Fe为5，Nb为36，V为15，Ta为40，Cr为7，Co为7，Cu为13，Ni为9，W为22。

[0013] 本发明的低成本钛合金中，杂质元素的含量不高于0.30％(重量％)。

[0014] 上述低成本钛合金的制备方法，包括以下步骤：将海绵钛、铬铁中间合金、单质硼、铁单质和/或铝豆，按上述的设计成分分层布料压制电极，用常规真空自耗熔炼炉二次熔炼得到铸锭。

[0015] 本发明中，原材料成本与海绵钛的成本相当，所述合金原材料成本为Ti-6Al-4V合金的3/4～4/5，且退火后的室温力学性能与Ti-6Al-4V相当，Ti-6Al-4V合金的性能如表1所示。中间合金的成本如表2所示，Cr-Fe中间合金的成本低于Mo-Fe、Al-V等中间合金的成本，市售的微碳Cr-Fe中间合金成分如表3所示。

[0016] 表1、Ti-6Al-4V合金的基本力学性能

[0017]

[0018] 表2中间合金成本

[0019]

[0020] 表3市售微碳Cr-Fe中间合金成分

[0021]

[0022] Fe作为钛合金的beta稳定元素，其价格低廉，Fe加入到Beta钛合金中，可以加快其时效响应速度，达到时效强度峰值所需时间也较短；Fe的含量大于4％，容易形成“铁斑”，对合金的性能有不良影响。Cr与α、β相均溶解，并且存在共析反应。Cr主要起固溶强化作用，可提高合金的塑性、韧性和淬透性。Cr元素还能够细化合金的铸态显微组织，与Mo相比，Cr元素的细化效果比较明显，强化效果也好于Mo元素。而在钛合金中加入B元素可以有效的细化铸态组织并阻碍后续加工过程中已细化晶粒的长大，从而减少变形火次，降低加工成本的目的。

[0023] 本发明合金可由以下的工艺获得相关的基本力学性能，合金铸锭在1000～1100℃开坯锻造成棒坯。棒坯在相变点以上20～100℃范围内加热，然后采用轧制或锻造成形方法制成Φ12mm棒材。经热处理后就能得到相应的力学性能。

[0024] 本发明的优点是：合金的原材料成本低于现有钛合金的原材料成本，约为常用钛合金Ti-6Al-4V的四分之三，且基本力学性能与Ti-6Al-4V相当。

[0025] 下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

具体实施方式

[0026] 实施例1

[0027] 将市售的海绵钛、铝豆、铬铁中间合金和铁单质按表4中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为935±5℃。铸锭在相变点以上开坯锻造，而经过轧制后制成Φ12mm的棒材。对棒材取样进行热处理，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表5所示。

[0028] 表4实施例1中合金的配比成分

[0029]

[0030] 表5实施例1中棒材的力学性能

[0031]

[0032] 实施例2

[0033] 将市售的海绵钛、铬铁中间合金和铁单质按表6中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为875±5℃。铸锭在相变点以上开坯锻造，而经过轧制后制成Φ12mm的棒材。对棒材取样进行热处理，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表7所示。

[0034] 表6实施例2中合金的配比成分

[0035]

[0036] 表7实施例2中棒材的力学性能

[0037]

[0038] 实施例3

[0039] 将市售的海绵钛、铝豆、铬铁中间合金和铁单质按表8中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为885±5℃。铸锭在相变点以上开坯锻造，而经过轧制后制成Φ12mm的棒材。对棒材取样进行热处理，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表9所示。

[0040] 表8实施例3中合金的配比成分

[0041]

[0042] 表9实施例3中棒材的力学性能

[0043]

[0044] 实施例4

[0045] 将市售的海绵钛、铝豆、铬铁中间合金、单质硼和铁单质按表10中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为885±5℃。铸锭在相变点以上开坯锻造，而经过轧制后制成Φ12mm的棒材。对棒材取样进行热处理，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表11所示。

[0046] 表10实施例4中合金的配比成分

[0047]

[0048] 表11实施例4中棒材的力学性能

[0049]

[0050] 实施例5

[0051] 将市售的海绵钛、铝豆、铬铁中间合金和铁单质按表8中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为880±5℃。铸锭在相变点以上开坯锻造，而经过轧制后制成Φ12mm的棒材。对棒材取样进行热处理，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表13所示。

[0052] 表12实施例5中合金的配比成分

[0053]

[0054] 表13实施例5中棒材的力学性能

[0055]

[0056] 实施例6

[0057] 将市售的海绵钛、铝豆、铬铁中间合金和铁单质按表8中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为900±5℃。铸锭在相变点以上开坯锻造，而经过轧制后制成Φ12mm的棒材。对棒材取样进行热处理，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表15所示。

[0058] 表14实施例6中合金的配比成分

[0059]

[0060] 表15实施例6中棒材的力学性能

[0061]

[0062] 实施例7

[0063] 将市售的海绵钛、铝豆、铬铁中间合金和铁单质按表8中的主成分配比压制电极并焊接成真空自耗电极，然后进行二次真空自耗熔炼得到铸锭，用金相法测得相变点为900±5℃。铸锭在相变点以上开坯锻造，而经过轧制后制成Φ12mm的棒材。对棒材取样进行热处理，按GB/T228-2002的要求进行室温力学性能测试，性能见表17所示。

[0064] 表16实施例7中合金的配比成分

[0065]

[0066] 表17实施例7中棒材的力学性能