一种900MPa强度级别低成本钛合金材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种900MPa强度级别低成本钛合金材料及其制备方法 (900 MPa-strength-level low-cost titanium alloy material and preparation method thereof ) 是由 张利军 刘娣 吴天栋 周中波 张晨辉 卫娜 刘小花 薛祥义 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：一种900MPa强度级别低成本钛合金材料及其制备方法,按照质量百分比为：Al：5.0％～7.0％,Fe：5.0％～8.0％,O：0.10％～0.30％,Si,0.01％～0.35％,C：≤0.05％,N：≤0.03％,H：≤0.015％,余量为Ti,进行混料,并压制为电极块；将电极块组焊为长条状电极；将条状电极作为自耗电极进行二次熔炼,获得二次锭；再进行开坯锻造即可。本发明采用低成本的Fe元素代替高成本的V、Mo元素作为合金强化剂,可降低合金制造成本10％至30％,并且制得的低成本钛合金材料的抗拉强度在900MPa～1050MPa、延伸率在10％～15％。(A900 MPa strength-level low-cost titanium alloy material and a preparation method thereof are disclosed, wherein the material comprises the following components in percentage by mass: al: 5.0% -7.0%, Fe: 5.0% -8.0%, O: 0.10-0.30%, Si 0.01-0.35%, C: less than or equal to 0.05 percent, N: less than or equal to 0.03%, H: less than or equal to 0.015 percent and the balance of Ti, mixing and pressing into an electrode block; assembling and welding the electrode blocks into strip-shaped electrodes; carrying out secondary smelting by taking the strip-shaped electrode as a consumable electrode to obtain a secondary ingot; and then cogging and forging. The invention adopts low-cost Fe element to replace high-cost V, Mo element as an alloy reinforcer, can reduce the manufacturing cost of the alloy by 10 to 30 percent, and the prepared low-cost titanium alloy material has the tensile strength of 900 to 1050MPa and the elongation of 10 to 15 percent.)
技术领域
本发明属于钛合金材料制造领域，涉及一种900MPa强度级别低成本钛合金材料及其制备方法。
背景技术
钛合金材料性能优异是理想的航空、航天、舰船、兵器工业使用的结构用金属材料，已经在航空、航天等高端工业得到广泛使用。为了获得良好的性能，钛合金中通常会使用Al、Mo、V、Zr、Nb等合金元素。而含Mo、V、Zr、Nb等元素的原料成本较高，使得钛合金材料成本很高，这严重制约了其在舰船、兵器、化工、能源等行业的应用，以目前使用最为广泛的Ti-6Al-4V钛合金为例，Al-V中间合金的涨价致使其制造成本进一步增加了20％左右，对钛合金材料的大范围的推广使用产生了较为不利的影响。
因此研发低成本的钛合金材料十分必要。相关报道，日本通过降低海绵钛成本、采用廉价的合金元素降低合金原料成本及采用低成本工艺降低加工成本等，开发出了一些性价比较高的钛合金材料如SP-700等。美国在低成本军用钛合金方面开展了大量研究和工程应用工作，如Timet公司以低廉的Al-Fe中间合金取代较贵的Al-Mo中间合金开发出了Timetal 62S低成本钛合金，在同等的性能水平下成本较Ti-6Al-4V降低15％至20％。
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种900MPa强度级别低成本钛合金材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种900MPa强度级别低成本钛合金材料，该低成本中强钛合金名义成分为Ti-6Al-6Fe-0.2O，其质量百分比为：
Al：5.0％～7.0％；
Fe：5.0％～8.0％；
O：0.10％～0.30％；
Si：0.01％～0.35％；
C：≤0.05％；
N：≤0.03％；
H：≤0.015％；
余量为Ti；
其他元素：单个≤0.10％、总和≤0.40％。
一种900MPa强度级别低成本钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按照质量百分比为：Al：5.0％～7.0％，Fe：5.0％～8.0％，O：0.10％～0.30％，Si，0.01％～0.35％，C：≤0.05％，N：≤0.03％，H：≤0.015％，余量为Ti，进行混料，并压制为电极块；
2)将电极块组焊为长条状电极；
3)将步骤2)制得的条状电极作为自耗电极进行熔炼，获得一次锭；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极进行二次熔炼，获得二次锭；冷却后，得到铸锭；
5)将铸锭在1000～1200℃加热后进行开坯锻造，得到900MPa强度级别低成本钛合金材料。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将电极块组焊为长条状电极。
本发明进一步的改进在于，步骤3)和步骤4)中，在真空自耗电弧炉中进行熔炼。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，熔炼电流5～20KA，熔炼电压控制在26～40V。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，冷却到400℃以下。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，熔炼电流8～23KA，熔炼电压控制在26～40V。
本发明进一步的改进在于，还包括以下步骤：
6)将900MPa强度级别低成本钛合金材料加热后多火次锻造为棒材或板坯；
7)将棒材加热后锻造为锻件，或将板坯加热后轧制板材。
本发明进一步的改进在于，步骤6)中，将坯料在900～1100℃加热后多火次锻造为棒材或板坯；
步骤6)中，棒材的直径为20～500mm，板坯的厚度为80～200mm。
本发明进一步的改进在于，步骤7)中，将棒材在900～1050℃加热后锻造为锻件，将板坯在900～1050℃加热后轧制为厚度2～50mm的板材。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明采用低成本的Fe元素代替高成本的V、Mo元素作为合金强化剂，可降低合金制造成本10％至30％，并且制得的低成本钛合金材料的抗拉强度在900MPa～1050MPa、延伸率在10％～15％，为我国舰船制造、兵器装备制造、电子仪器制造、化工能源制造等行业提供一种可大范围推广使用的价格低廉的钛合金材料。
进一步的，还可以制备为棒材、板材或锻件，满足不同行业的需要。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
低成本中强钛合金名义成分为Ti-6Al-6Fe-0.2O，其质量百分比组成为：
Ti：基体(余量)；
Al：5.0％～7.0％；
Fe：5.0％～8.0％；
O：0.10％～0.30％；
Si：0.01％～0.35％；
C：≤0.05％；
N：≤0.03％；
H：≤0.015％；
其他元素：单个≤0.10％、总和≤0.40％。
本发明提出一种900MPa强度级别低成本钛合金材料及其棒材、板材、锻件的制备方法，包括以下步骤：
1)按照组分含量进行混料，使用压力机及模具压制为电极块；
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭；
5)将铸锭冷却到400℃以下出炉。
6)将铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，同时取样进行化学成分测试。
7)将铸锭在1000～1200℃加热后进行开坯锻造。
8)将坯料在900～1100℃加热后多火次锻造为直径的棒材、δ80～δ200厚度的板坯。
9)直径的棒材在900～1050℃加热后锻造为所需规格形状的锻件、将δ80～δ200厚度的板坯在900～1050℃加热后轧制为δ2～δ50厚度的板材。
步骤3)中，熔炼电流5～20KA，熔炼电压控制在26～40V。
步骤4)中，熔炼电流8～23KA，熔炼电压控制在26～40V。
下面为具体实施例。
实施例1
300公斤级别钛合金铸锭及其小规格棒材制备：
(1)配料及电极压制：
名义成分：Ti-6Al-6Fe-0.2O
按照成分范围，选用一级海绵钛、Fe屑或Ti-Fe中间合金、Al豆、钛白粉等，混料300Kg，用压力机压制成单块重量为10Kg的块状电极。
(2)电极制备：
采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流5KA，熔炼电压26～33V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流8KA，熔炼电压28～35V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到400℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)扒皮、切冒口、取样
用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表1-1所示：
表1-1制备的300公斤级别钛合金铸锭化学成分
(7)铸锭开坯
将车光并锯切好的铸锭在加热到1150℃保温3小时后出炉开坯锻造，两镦两拔：
即将直径为280mm，长度为560mm的棒材镦至横截面为边长325mm的正方形，长度为325mm的方坯，再将方坯拔至横截面为边长255mm的正方形，长度为520mm的方坯，然后镦至横截面为边长325mm的正方形，长度为325mm的方坯，最后拔至横截面为边长255mm的正方形，长度为520mm的坯料。
(8)中间坯料锻造
坯料在1050℃加热3小时后出炉锻造：
□255×520拔→□150×1502热切拔→□150×500；
坯料在1000℃加热2小时后出炉锻造：
(9)大规格棒丝材锻造
坯料在980℃加热1.5小时后出炉锻造：
(10)热处理及性能测试
将棒材在850℃保温1.5小时，取样进行力学性能试验，见表1-2。
表1-2直径钛合金棒材室温力学性能
实施例2
300公斤级别钛合金铸锭及其棒材制备：
(1)配料及电极压制：
名义成分：Ti-6Al-6Fe-0.2O
按照成分范围，选用一级海绵钛、Fe屑或Ti-Fe中间合金、Al豆、钛白粉等，混料300Kg，用压力机压制成单块重量为10Kg的块状电极。
(2)电极制备：
采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流6KA，熔炼电压26～33V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流8KA，熔炼电压28～35V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到400℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)扒皮、切冒口、取样
用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表2-1所示：
表2-1制备的300公斤级别钛合金铸锭化学成分
(7)铸锭开坯
将车光并锯切好的铸锭在加热到1150℃保温3小时后出炉开坯锻造，两镦两拔：
(8)中间坯料锻造
坯料在1050℃加热3小时后出炉锻造：
□255×520拔→□150×1502热切拔→□150×500；
坯料在1000℃加热2小时后出炉锻造：
坯料在980℃加热1.5小时后出炉锻造：
(9)小规格棒丝材轧制
坯料在960℃加热1小时后出炉轧制：
(10)热处理及性能测试
将棒材在850℃保温1.5小时，取样进行力学性能试验，见表2-2。
表2-2直径钛合金棒材室温力学性能
实施例3
1000公斤级别钛合金铸锭及其锻件制备：
(1)配料及电极压制：
名义成分：Ti-6Al-6Fe-0.2O
按照成分范围，选用一级海绵钛、Fe屑或Ti-Fe中间合金、Al豆、钛白粉等，混料1000Kg，用压力机压制成单块重量为50Kg的块状电极。
(2)电极制备：
采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流9KA，熔炼电压28～35V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流12KA，熔炼电压30～38V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到400℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)扒皮、切冒口、取样
用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表3-1所示：
表3-1制备的1000公斤级别钛合金铸锭化学成分
(7)铸锭开坯
将车光并锯切好的铸锭在加热到1150℃保温5小时后出炉开坯锻造，两镦两拔：
(8)中间坯料锻造
坯料在1050℃加热4小时后出炉锻造：
□360×730镦→□460×450拔→□360×730拔→□250×L；
坯料在1000℃加热3小时后出炉锻造：
(9)环锻件轧制
坯料在980℃加热3小时后出炉轧制：
坯料在960℃加热2小时后出炉轧制：
(10)热处理及性能测试
将锻件在850℃保温1.5小时，取样进行力学性能试验，见表3-2。
表3-2规格钛合金环锻件室温力学性能
实施例4
3000公斤级别钛合金铸锭及其板材制备：
(1)配料及电极压制：
名义成分：Ti-6Al-6Fe-0.2O
按照成分范围，选用一级海绵钛、Fe屑或Ti-Fe中间合金、Al豆、钛白粉等，混料3000Kg，用压力机压制成单块重量为100Kg的块状电极。
(2)电极制备：
采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流20KA，熔炼电压28～38V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流23KA，熔炼电压30～40V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到400℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)扒皮、切冒口、取样
用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表4-1所示：
表4-1制备的3000公斤级别钛合金铸锭化学成分
(7)铸锭开坯
将车光并锯切好的铸锭在加热到1150℃保温6小时后出炉开坯锻造，两镦两拔：
(8)中间坯料锻造
坯料在1050℃加热4小时后出炉锻造：
□360×850拔→δ120×950×950；
(9)板材轧制
坯料在980℃加热2小时后出炉轧制：
δ120×950×950轧制→δ25×950×4560分料→δ25×950×1100(火切为4节)；
坯料在970℃加热0.5小时后出炉轧制：
δ25×1100×950轧制→δ8×1100×3000；
(10)热处理及性能测试
将板材的取样在850℃保温1小时，进行力学性能试验，见表4-2。
表4-2δ8厚度钛合金板材室温力学性能
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