一种α型高比模量耐热易成型钛合金及制备方法
阅读说明：本技术 一种α型高比模量耐热易成型钛合金及制备方法 (Alpha-type high-specific-modulus heat-resistant easy-to-mold titanium alloy and preparation method thereof ) 是由 杨治军 李景娴 李中琴 苏捷 侯树森 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于航空航天用钛合金材料领域,公开了一种α型高比模量耐热易成型钛合金,以质量百分含量表示,钛合金由以下成分组成：Al 12.0％～14.0％,Zr 3.5％～6.0％,Sn 3.0％～6.0％,B 0.5％～1.0％,稀土元素Gd 0.05％～0.1％,O 0.10%～0.25%,余量为Ti及不可避免的杂质元素。本发明钛合金具有高模量、低密度、良好塑韧性和耐热性能,突破了钛合金弹性模量与塑韧性匹配的关键技术,在保证塑韧性的同时具有较高的弹性模量,同时具备低密度和耐高温等优异的性能,在航空航天、舰船装备及兵器工业等领域具有良好的技术应用与市场前景。(The invention belongs to the field of titanium alloy materials for aerospace, and discloses an alpha-type titanium alloy with high specific modulus, heat resistance and easy forming, which comprises the following components in percentage by mass: 12.0 to 14.0 percent of Al, 3.5 to 6.0 percent of Zr, 3.0 to 6.0 percent of Sn, 0.5 to 1.0 percent of B, 0.05 to 0.1 percent of rare earth element Gd, 0.10 to 0.25 percent of O, and the balance of Ti and inevitable impurity elements. The titanium alloy has high modulus, low density, good ductility and toughness and heat resistance, breaks through the key technology of matching the elasticity modulus and the ductility and toughness of the titanium alloy, has higher elasticity modulus while ensuring the ductility and toughness, has excellent performances of low density, high temperature resistance and the like, and has good technical application and market prospect in the fields of aerospace, ship equipment, weapon industry and the like.)
技术领域
本发明涉及航空航天用钛合金材料领域，尤其是涉及一种α型高比模量耐热易成型钛合金及制备方法。
背景技术
钛及钛合金具有高比强度、塑韧性好、耐腐蚀及可焊接等优良性能，作为航空航天材料具有突出的减重效果。然而，钛合金的模量大约只有105GPa，是钢弹性模量的一半。因此，在设计中需要增加壁厚或加强结构，这就导致了重量的增加，削弱了钛合金相对于其他材料的减重优势。高超音速导弹舵翼、蒙皮、舵骨架等耐压构件工作温度高达600℃，而且减重需求迫切。因此，对钛合金的比模量、耐热性和塑韧性提出了更高的要求。
弹性模量本质上是代表原子间约束力的物理量，它主要取决于金属的性质，与晶体类型和原子间距密切相关。弹性模量是一个结构不敏感的参数，主要由材料的组成决定。只有当合金中含有性能显著不同的第二相时，合金的弹性模量才会发生显著变化。
目前，国内外了主要通过加入Al、B和C等元素，分别形成TiAl、TiB和TiC等第二相来提高钛合金的弹性模量。然而，第二相的存在容易降低钛合金的塑韧性，冷热加工性能差。因此，在保证塑韧性的条件下，提高钛合金的弹性模量是一个技术难题。
此外，现有的高弹性模量钛合金大多为α+β型或β型合金，纯α-Ti和纯β-Ti的弹性模量分别为114和73GPa，α相比β相弹性模量的贡献高40％，这类合金含有大量β相，弹性模量较低。同时，这类合金需要加入β稳定元素，如Mo、Ni、V、Nb、Co和Fe等元素，这些元素密度较大，比模量低，不利于减重。同时，α+β型或β型钛合金耐高温性能差。因此，针对航空航天耐压结构的高温服役工况，急需开发一种高模量、低密度、具有良好塑韧性及耐热性能的钛合金材料。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的旨在提供一种α型高比模量耐热易成型钛合金及制备方法。
为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明第一方面提供了一种α型高比模量耐热易成型钛合金，以质量百分含量表示，所述钛合金由以下成分组成：Al 12.0％～14.0％，Zr 3.5％～6.0％，Sn3.0％～6.0％，B 0.5％～1.0％，稀土元素0.05％～0.1％，O 0.10～0.25％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。
根据上述的α型高比模量耐热易成型钛合金，优选地，所述稀土元素为Gd。
根据上述的α型高比模量耐热易成型钛合金，优选地，所述钛合金中铝当量[Al]当为13.7～16.0，其中，[Al]当＝％Al+％Sn/3+％Zr/6，式中％为钛合金中各元素的质量百分含量。
根据上述的α型高比模量耐热易成型钛合金，优选地，所述钛合金中钼当量[Mo]当为0。
根据上述的α型高比模量耐热易成型钛合金，优选地，所述杂质元素为C、N、H，钛合金中杂质元素的质量百分含量为：C≤0.10％，N≤0.05％，H≤0.01％。
本发明第一方面提供了一种上述第一方面所述α型高比模量耐热易成型钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)熔炼、铸锭：按上述第一方面所述的钛合金成分组成进行配料，将配制的钛合金原料进行熔炼、铸锭，得到合金铸锭；
(2)锻造：将步骤(1)制备的合金铸锭在1100～1280℃开坯，在1020±10℃进行至少一次锻造，终锻温度不低于860℃；然后在980±10℃锻造或轧制为所需锻件或板材，终锻温度不低于850℃。
根据上述的制备方法，优选地，所述熔炼是采用真空自耗电弧熔炼技术对钛合金原料进行熔炼。
根据上述的制备方法，优选地，配料时钛元素的原料为工业1级海绵钛。
与现有技术相比，本发明取得的积极有益效果为：
(1)本发明提供的α型高比模量耐热易成型钛合金材料中低密度α稳定元素铝的含量高达12.0％～14.0％，未加入任何高密度的β稳定元素，这大幅降低了该合金的密度，制备得到的α型高比模量耐热易成型钛合金的密度ρ≤4.2g/cm3，显著低于传统钛合金(4.5g/cm3)。
(2)本发明的α型高比模量耐热易成型钛合金为α型结构，具有较高的弹性模量，耐热性好；而且，本申请钛合金中还加入了0.5％～1.0％B元素，形成了第二相TiB，进一步提高了钛合金的弹性模量，制备的α型高比模量耐热易成型钛合金的室温弹性模量E≥138GPa，600℃高温弹性模量E≥104GPa，远高于现有报道的钛合金的弹性模量。
(3)由于本发明钛合金中加入了B元素，B元素的加入会使合金的塑韧性大幅下降，为了避免钛合金的塑韧性下降，本申请经研究发现向钛合金中加入0.05％～0.1％的Gd元素，可大幅改善钛合金的塑韧性，制备的α型高比模量耐热易成型钛合金在室温下延伸率A≥12％，600℃高温下延伸率A≥18％，实现了钛合金弹性模量和塑韧性的最佳匹配；而且，本发明还发现通过向合金材料中加入0.05％～0.1％的Gd元素，可以提高合金高温下的抗粗化能力，使制备得到的钛合金具有良好的热稳定性，600℃下抗拉强度Rm≥510MPa、屈服强度Rp0.2≥620MPa。
(4)本发明的α型高比模量耐热易成型钛合金材料加入3.5％～6.0％的Zr元素，使制备的钛合金具有良好的焊接性能，可实现电子束、激光、手工TIG等焊接方法，而且，焊接系数≥0.9。
综上所述，本发明研制的α型高比模量耐热易成型钛合金具有高模量、低密度、良好塑韧性和耐热性能(具体性能检测结果如表1所示)，突破了钛合金弹性模量与塑韧性匹配的关键技术，在保证塑韧性的同时具有较高的弹性模量，同时具备低密度和耐高温等优异的性能，在航空航天、舰船装备及兵器工业等领域具有良好的技术应用与市场前景。
表1本发明α型高比模量耐热易成型钛合金的性能检测结果
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。
实施例1：Ti-13Al-3.5Zr-5Sn-1B-0.05Gd合金
一种α型高比模量耐热易成型钛合金，以质量百分含量表示，钛合金由以下成分组成：Al 13.0％，Zr 3.5％，Sn 5.0％，B 1.0％，Gd 0.05％，O 0.1％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。
上述α型高比模量耐热易成型钛合金的制备方法具体步骤如下：
(1)熔炼、铸锭：按上述的钛合金成分组成进行配料，将配制的钛合金原料采用真空自耗电弧熔炼技术进行三次熔炼并制成铸锭，得到合金铸锭；
(2)锻造：将步骤(1)制备的合金铸锭在1100～1280℃开坯，在1020±10℃进行六次锻造，终锻温度不低于860℃；然后在980±10℃锻造或轧制为所需锻件或板材，终锻温度不低于850℃。
本实施例制备的钛合金的力学性能检测结果参见表2。
实施例2：Ti-12Al-4Zr-3Sn-0.5B-0.05Gd合金
一种α型高比模量耐热易成型钛合金，以质量百分含量表示，钛合金由以下成分组成：Al 12.0％，Zr 4.0％，Sn 3.0％，B 0.5％，Gd 0.05％，O 0.2％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。
上述α型高比模量耐热易成型钛合金的制备方法与实施例1相同。
本实施例制备的钛合金的力学性能检测结果参见表2。
实施例3：Ti-13Al-5Zr-4Sn-0.5B-0.05Gd合金
一种α型高比模量耐热易成型钛合金，以质量百分含量表示，钛合金由以下成分组成：Al 13.0％，Zr 5.0％，Sn 4.0％，B 0.5％，Gd 0.05％，O 0.25％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。
上述α型高比模量耐热易成型钛合金的制备方法与实施例1相同。
本实施例制备的钛合金的力学性能检测结果参见表2。
实施例4：Ti-12Al-4.5Zr-6Sn-1B-0.1Gd合金
一种α型高比模量耐热易成型钛合金，以质量百分含量表示，钛合金由以下成分组成：Al 12.0％，Zr 4.5％，Sn 6.0％，B 1.0％，Gd 0.1％，O 0.15％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。
上述α型高比模量耐热易成型钛合金的制备方法与实施例1相同。
本实施例制备的钛合金的力学性能检测结果参见表2。
实施例5：Ti-14Al-3.5Zr-4Sn-1B-0.1Gd合金
一种α型高比模量耐热易成型钛合金，以质量百分含量表示，钛合金由以下成分组成：Al 14.0％，Zr 3.5％，Sn 4.0％，B 1.0％，Gd 0.1％，O 0.2％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。
上述α型高比模量耐热易成型钛合金的制备方法与实施例1相同。
本实施例制备的钛合金的力学性能检测结果参见表2。
实施例6：Ti-13Al-4Zr-3Sn-0.5B-0.1Gd合金
一种α型高比模量耐热易成型钛合金，以质量百分含量表示，钛合金由以下成分组成：Al 13.0％，Zr 4.0％，Sn 3.0％，B 0.5％，Gd 0.1％，O 0.1％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。
上述α型高比模量耐热易成型钛合金的制备方法与实施例1相同。
本实施例制备的钛合金的力学性能检测结果参见表2。
实施例7：Ti-13Al-6Zr-3Sn-0.8B-0.07Gd合金
一种α型高比模量耐热易成型钛合金，以质量百分含量表示，钛合金由以下成分组成：Al 13.0％，Zr 6.0％，Sn 3.0％，B 0.8％，Gd 0.07％，O 0.1％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。
上述α型高比模量耐热易成型钛合金的制备方法与实施例1相同。
本实施例制备的钛合金的力学性能检测结果参见表2。
实施例8：Ti-12Al-4Zr-3Sn-0.7B-0.08Gd合金
一种α型高比模量耐热易成型钛合金，以质量百分含量表示，钛合金由以下成分组成：Al 12.0％，Zr 4.0％，Sn 3.0％，B 0.7％，Gd 0.08％，O 0.2％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。
上述α型高比模量耐热易成型钛合金的制备方法与实施例1相同。
本实施例制备的钛合金的力学性能检测结果参见表2。
表2本发明实施例1-实施例8α型高比模量耐热易成型钛合金性能检测结果
注：比刚度＝弹性模量/密度，单位为：GPa/(g/cm3)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。