一种1400MPa级低成本高强钛合金
阅读说明：本技术 一种1400MPa级低成本高强钛合金 (1400 MPa-level low-cost high-strength titanium alloy ) 是由 赵彬 辛超 吴金平 潘晓龙 杨帆 赵恒章 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种1400MPa级低成本高强钛合金,其特征在于,该钛合金由以下质量百分比的元素组成：Al 4.0%～5.0%,Mo 5.6%～6.5%,V 2.5%～3.5%,Cr 1.5%～2.5%,Fe 1.5%～2.5%,余量为Ti即不可避免的杂质；钼当量为13～16。本发明提供的高强钛合金相对于目前已有的高强钛合金而言,减少了价格较高的合金元素Cr和V的添加量,不添加昂贵的合金元素比如Zr和Nb等,也能使本发明制备的高强钛合金达到1400MPa级,并具有大于7.5%的断后延伸率,拥有良好的强塑性匹配,成本低于现有同等强度的其他钛合金,可在航天、军工及民用等领域广泛应用,显著提高经济效益。(The invention discloses a 1400 MPa-level low-cost high-strength titanium alloy which is characterized by comprising the following elements in percentage by mass: 4.0-5.0% of Al, 5.6-6.5% of Mo, 2.5-3.5% of V, 1.5-2.5% of Cr, 1.5-2.5% of Fe and the balance of Ti, namely inevitable impurities; the equivalent weight of the molybdenum is 13-16. Compared with the existing high-strength titanium alloy, the high-strength titanium alloy provided by the invention reduces the addition amount of alloy elements Cr and V with higher price, does not add expensive alloy elements such as Zr, Nb and the like, can also enable the high-strength titanium alloy prepared by the invention to reach 1400MPa level, has the elongation after fracture of more than 7.5%, has good strong plastic matching and lower cost than other existing titanium alloys with the same strength, can be widely applied to the fields of aerospace, military industry, civil use and the like, and obviously improves the economic benefit.)
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种1400MPa级低成本高强钛合金。
背景技术
钛合金因其超高的比强度、良好的机械性能和耐腐蚀性能等优点而被广泛应用于航空航天、军工武器装备和民用化工等领域，尤其是在航空航天领域。钛合金可以大幅度减轻飞机和飞行器的自身重量，有效拓展飞机的飞行距离，从而提高飞行效率，因此钛合金在飞机上的比重逐代增加。但随着航空航天事业的发展、军工武器装备的升级换代以及化工等产业的节能减排，对钛合金提出了更高的性能要求。目前多数钛合金能够达到的最高强度在1300MPa级比如Ti5553、TB10等，而且随着合金强度的升高，塑性显著下降。此外，对于民用领域钛合金的成本也相对较高，尽管在某些特定服役环境下的综合性能超过钢，但成本的红线也限制了钛合金的进一步应用。如表1所示现有技术中的高强钛合金。
表1 高强钛合金化学成分表
从表1中可以看出，高强钛合金中均需采用较高含量的成本较高的V、Cr和Zr，且用量均较大。其中，BT22和BT23的抗拉强度分别只能达到1240MPa和1150MPa。
因此新一代钛合金的发展方向就是要提高强度，同时还要降低成本。从而发挥钛合金在国家安全和国民生活中的重大作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种1400MPa级低成本高强钛合金。该高强钛合金相对于目前已有的高强钛合金而言，减少了价格较高的合金元素Cr和V的添加量，不添加昂贵的合金元素比如Zr和Nb等，通过控制高强钛合金的成分使本发明制备的高强钛合金的抗拉强度大于1400MPa，断后延伸率不小于7.5%，拥有良好的强塑性匹配，成本低于现有同等强度的其他钛合金。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种1400MPa级低成本高强钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分比的元素组成：Al 4.0%~5.0%，Mo 5.6%~6.5%，V2.5%~3.5%，Cr 1.5%~2.5%，Fe 1.5%~2.5%，余量为Ti即不可避免的杂质；该钛合金中钼当量为13~16。
上述的一种1400MPa级低成本高强钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分比的元素组成：Al 4.6%~4.8%，Mo 5.6%~5.8%，V 2.9%~3.1%，Cr 1.5%~1.6%，Fe 1.5%~1.6%，余量为Ti即不可避免的杂质，该钛合金中钼当量13~14。
上述的一种1400MPa级低成本高强钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分比的元素组成：Al 4.7%，Mo 5.6%，V 3%，Cr 1.5%，Fe 1.6%，余量为Ti即不可避免的杂质，该钛合金中钼当量为13.4。
本发明将Al、Mo、V、Cr和Fe元素以置换固溶体方式溶进高强钛合金中，同时产生不同程度的晶格畸变，其中Fe元素与Ti元素的原子半径相差最大，因此产生的晶格畸变最大，而且通过控制元素含量来调控不同元素在Ti晶胞中的占位状态，形成了多原子空间对称分布，普遍提高了位错滑移的临界剪切应力和滑移过程中的运动阻力，从而最大效率地实现了多元固溶强化的耦合机制，Al作为α相稳定元素，能够有效强化时效析出的α相，但过多的Al元素会降低高强钛合金的韧性及抗应力腐蚀性能，此外，Cr元素对于提高高强钛合金的韧性有利，但容易形成Ti2Cr金属间化合物导致脆性，所以本发明一方面降低了Al、Cr元素的含量，另一方面，Mo和V的加入抑制了因添加Fe和Cr等元素后可能发生的包析或共析反应，不易形成脆性金属间化合物，避免了高强钛合金的塑性受到损失，从而保证了高强钛合金达到1400MPa级，此外，这些元素的含量配比能够让该高强钛合金在短时间内达到时效峰值，从而有效缩短了时效处理时间，节约了工艺成本；本发明通过控制钼当量，使高强钛合金处于亚稳β钛合金和稳定β钛合金的临界区间，使高强钛合金具有最佳的性能，减少了后续时效处理时间，当钼当量过低时β相的稳定性降低，固溶处理容易析出马氏体，从而降低高强钛合金塑性，而且β稳定元素的减少也意味着降低了β相的强度，当钼当量超过临界点会导致β相的稳定性过高，使高强钛合金的相变点降低，还影响了α相的析出效率，导致高强钛合金在热变形时，加工窗口温度降低，变形抗力增大，同时延长了后续时效热处理时间，无形中提高了材料制造成本。
上述的一种1400MPa级低成本高强钛合金，其特征在于，所述钛合金在热处理后的抗拉强度大于1400MPa，断后延伸率大于7.5%；所述热处理的过程为：将钛合金加热至β相变点温度以下30℃~50℃进行固溶处理，然后加热至500℃~530℃后保温4h进行时效处理，再空冷至室温。本发明通过控制固溶处理的参数，保留适量的初生α相以提高钛合金的塑性，本发明通过时效处理使高强钛合金中大量次生α相快速析出，显著提高了钛合金的强度，通过控制时效处理的时间，保证了高强钛合金而且在4h时达到峰值。
上述的一种1400MPa级低成本高强钛合金，其特征在于，所述钛合金制备时使用FeCr55C3中间合金提供Cr和Fe，所述FeCr55C3中间合金符合GB/T 5683-2008标准；所述钛合金制备时使用FeMo55-A中间合金提供Mo和Fe，所述FeMo55-A中间合金符合GB/T 3649-2008标准。本发明通过使用FeCr55C3中间合金和FeMo55-A中间合金这样的价格较低的中间合金，降低了高强钛合金的制备成本，通过控制FeCr55C3中间合金和FeMo55-A中间合金分别符合GB/T 5683-2008标准和GB/T 3649-2008标准，控制了杂质的含量，保证了高强钛合金的质量。
本发明1400MPa级低成本高强钛合金的制备过程为：步骤一、将FeMo55-A中间合金、FeCr55C3中间合金、Al-85V中间合金以及海绵钛按设计成分配料并压制成电极；步骤二、将步骤一中得到的电极进行2次真空自耗熔炼，得到铸锭；步骤三、将步骤二中得到的铸锭切除冒口后依次在1100℃、1000℃和940℃下进行三次开坯锻造；每次所述开坯锻造的变形量均大于50%；步骤四、将步骤三中经开坯锻造后的铸锭在830℃下轧制为直径为16mm的合金棒材；步骤五、将步骤四中得到的合金棒材加热至β相变点温度以下30℃~50℃进行固溶处理，然后加热至500℃~530℃后保温4h进行时效处理，再空冷至室温，得到1400MPa级低成本高强钛合金。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明提供的高强钛合金相对于目前已有的高强钛合金而言，减少了价格较高的合金元素Cr和V的添加量，或者不添加昂贵的合金元素比如Zr和Nb等，通过控制高强钛合金的成分使本发明制备的高强钛合金的抗拉强度大于1400MPa，断后延伸率不小于7.5%，拥有良好的强塑性匹配，成本低于现有同等强度的其他钛合金，此外，为了降低合金的成本，本发明在合金熔炼中，合金元素的添加都是通过工业生产中常见的中间合金，FeMo55-A中间合金、FeCr55C3中间合金和Al-85V中间合金来实现，不需要使用价格昂贵的纯单质元素添加，而且其中FeMo55-A和FeCr55C3中间合金是钢铁冶炼中常用的添加剂，相比Al-60Mo、Ti-32Mo和Ti-32Fe等钛合金冶炼中常见的中间合金价格降低一倍以上，从合金元素的选择和添加方式这两方面显著降低了本发明高强钛合金的成本。
2、本发明制备的高强钛合金中，合金化元素的成分配比能够实现不同元素原子在钛基体中的理想化均匀占位，置换原子在钛晶胞，密排六方结构和体心立方结构中呈现空间对称分布，也能够实现α（密排六方结构）↔β（体心立方结构）相变时最小结构单元晶胞内的原子数最少，从而提高相变效率，最终使本发明的高强钛合金获得优良的力学性能。
3、本发明通过固溶处理和时效处理，保留适量的初生α相提高了高强钛合金的塑性，使高强钛合金中大量次生α相快速析出，显著提高了高强钛合金的强度。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明通过实施例1~实施例5进行详细说明。
实施例1
本实施例的1400MPa级低成本高强钛合金由以下质量百分比的元素组成：Al4.7%，Mo 5.6%，V 3%，Cr 1.5%%，Fe 1.6%，余量为Ti即不可避免的杂质；该钛合金中钼当量为13.4。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将FeMo55-A中间合金、FeCr55C3中间合金、Al-85V中间合金以及海绵钛按设计成分配料并压制成电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行2次真空自耗熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭切除冒口后依次在1100℃、1000℃和940℃下进行三次开坯锻造；每次所述开坯锻造的变形量为60%；
步骤四、将步骤三中经开坯锻造后的铸锭在830℃下轧制为直径为16mm的合金棒材；
步骤五、将步骤四中得到的合金棒材加热至β相变点温度以下30℃进行固溶处理，然后加热至530℃后保温4h进行时效处理，再空冷至室温，得到1400MPa级低成本高强钛合金。
经检测，本实施例制备的1400MPa级低成本高强钛合金的抗拉强度为1523MPa，屈服强度为1419MPa，断后延伸率为7.75%。
实施例2
本实施例的1400MPa级低成本高强钛合金由以下质量百分比的元素组成：Al 5%，Mo 5.7%，V 2.9%，Cr 2%，Fe 1.7%，余量为Ti即不可避免的杂质；该钛合金中钼当量为14.5。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将FeMo55-A中间合金、FeCr55C3中间合金、Al-85V中间合金以及海绵钛按设计成分配料并压制成电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行2次真空自耗熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭切除冒口后依次在1100℃、1000℃和940℃下进行三次开坯锻造；每次所述开坯锻造的变形量为60%；
步骤四、将步骤三中经开坯锻造后的铸锭在830℃下轧制为直径为16mm的合金棒材；
步骤五、将步骤四中得到的合金棒材加热至β相变点温度以下50℃进行固溶处理，然后加热至510℃后保温4h进行时效处理，再空冷至室温，得到1400MPa级低成本高强钛合金。
经检测，本实施例制备的1400MPa级低成本高强钛合金的抗拉强度为1435MPa，屈服强度为1321MPa，断后延伸率为9.2%。
实施例3
本实施例的1400MPa级低成本高强钛合金由以下质量百分比的元素组成：Al 4%，Mo 6.5%，V 2.5%，Cr 1.6%，Fe 2.5%，余量为Ti即不可避免的杂质；该钛合金中钼当量为15.9。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将FeMo55-A中间合金、FeCr55C3中间合金、Al-85V中间合金以及海绵钛按设计成分配料并压制成电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行2次真空自耗熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭切除冒口后依次在1100℃、1000℃和940℃下进行三次开坯锻造；每次所述开坯锻造的变形量为60%；
步骤四、将步骤三中经开坯锻造后的铸锭在830℃下轧制为直径为16mm的合金棒材；
步骤五、将步骤四中得到的合金棒材加热至β相变点温度以下40℃进行固溶处理，然后加热至530℃后保温4h进行时效处理，再空冷至室温，得到1400MPa级低成本高强钛合金。
经检测，本实施例制备的1400MPa级低成本高强钛合金的抗拉强度为1441MPa，屈服强度为1358MPa，断后延伸率为8.2%。
实施例4
本实施例的1400MPa级低成本高强钛合金由以下质量百分比的元素组成：Al4.6%，Mo 5.8%，V 3.5%，Cr 2.5%，Fe 1.5%，余量为Ti即不可避免的杂质；该钛合金中钼当量为15.5。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将FeMo55-A中间合金、FeCr55C3中间合金、Al-85V中间合金以及海绵钛按设计成分配料并压制成电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行2次真空自耗熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭切除冒口后依次在1100℃、1000℃和940℃下进行三次开坯锻造；每次所述开坯锻造的变形量为60%；
步骤四、将步骤三中经开坯锻造后的铸锭在830℃下轧制为直径为16mm的合金棒材；
步骤五、将步骤四中得到的合金棒材加热至β相变点温度以下40℃进行固溶处理，然后加热至520℃后保温4h进行时效处理，再空冷至室温，得到1400MPa级低成本高强钛合金。
经检测，本实施例制备的1400MPa级低成本高强钛合金的抗拉强度为1451MPa，屈服强度为1329MPa，断后延伸率为9.5%。
实施例5
本实施例的1400MPa级低成本高强钛合金由以下质量百分比的元素组成：Al4.8%，Mo 6.2%，V 3.1%，Cr 1.8%，Fe 2%，余量为Ti即不可避免的杂质；该钛合金中钼当量为15.4。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将FeMo55-A中间合金、FeCr55C3中间合金、Al-85V中间合金以及海绵钛按设计成分配料并压制成电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行2次真空自耗熔炼，得到铸锭；
步骤三、将步骤二中得到的铸锭切除冒口后依次在1100℃、1000℃和940℃下进行三次开坯锻造；每次所述开坯锻造的变形量为60%；
步骤四、将步骤三中经开坯锻造后的铸锭在830℃下轧制为直径为16mm的合金棒材；
步骤五、将步骤四中得到的合金棒材加热至β相变点温度以下30℃进行固溶处理，然后加热至500℃后保温4h进行时效处理，再空冷至室温，得到1400MPa级低成本高强钛合金。
经检测，本实施例制备的1400MPa级低成本高强钛合金的抗拉强度为1411MPa，屈服强度为1308MPa，断后延伸率为7.9%。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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