專利名稱：一種高硬度鑄造用鈦合金及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種合金，具體是涉及一種硬度為HRC38-42的高強度鑄造用 鈦合金。
背景技術：
鈦合金具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優點，因此 它在航空、航天、化工、造船等工業部門獲得日益廣泛的應用，發展迅猛。鈦 合金特別適于制造燃氣輪機等航空部件。由于鈦及其合金的優異抗蝕性能，良 好的力學性能，以及合格的組織相容性，使它用于制作假體裝置等生物材料。 目前，常用鈦合金常溫洛氏硬度值
① 工業純鈦(TA1、 TA2、 TA3): HRC24 32;
② TC4(Ti6A14V): HRC35 36;
③ TA7(Ti5A12.5Sn》HRC 35 36;
@TA15 (Ti-6Al-2Zr-lMo-lV)(俄羅斯牌號BT20): HRC32 36; ⑤BT22 (Ti5.5A15Mo5V1.5Crl.0Fe): HRC39 42。
上述鈦合金用于鑄造鈦合金復雜構件，特別是一些軍工用品構件存在硬度 低，耐磨性能和穩定性能差等缺點，從而影響產品質量。
發明內容
本發明的目的，是提供一種硬度高，穩定性好的鑄造用鈦合金。
本發明的另一目的是提供一種制備該高硬度鑄造用鈦合金的方法
采用的技術方案是
一種高硬度鑄造用鈦合金，基體為鈦。
該合金主要化學成份按質量百分比計Al:5.5 7.0%， Zr:1.5 2.5%， Mo:0.5 2.0%， V:0.8 2.5%， Cr:1.5 4%。雜質元素含量應控制在C《0.10%， Si:《0.15%, Fe:《0.25°/。， N:《0.05°/。， H:《0.015%， O:《0.15%，余量為 Ti。
本發明的高硬度鑄造用鈦合金在常溫下鑄態、退火態洛氏硬度為HRC38 40，經固溶時效處理后，能穩定控制在HRC38 42范圍內；鑄態力學性能 Rm^l050Mpa， Rp0.2》950Mpa， A》3%， Z》8%。
該合金所具有的硬度值與常規鈦合金硬度值相比，能穩定控制在HRC38 42范圍內，硬度高，且具有良好的綜合力學性能，可用于要求具有一定硬度和 良好綜合力學性能的鈦合金部件的研制和生產。
本合金可以采用真空自耗電弧凝殼爐、真空感應電弧爐、電子束爐等鈦合 金熔煉常用設備進行熔配，成型方式可以采用石墨型、金屬型或各類精鑄型殼。
下面提供一種制備高硬度鑄造用鈦合金的方法-.采用水冷銅坩堝真空自耗凝殼爐進行熔配
1) 合金電極制備
以BT20棒材及金屬鉻作為原材料，BT20鈦合金名義成分為 Ti-6Al-2Zr-lMo-lV的鈦合金，經清潔化處理(去氧化皮、去油、去污、干燥) 后，將金屬鉻采用機械粉碎的方法碎化成一定顆粒的金屬砂，尺寸要求〈lmm， 并在BT20錠子上采用鉆床打眼，眼大小O10 20mm，深度0.5 0.8R (R為錠 子半徑)，均勻分布于錠子中下部；將金屬鉻粉末或顆粒按一定配比裝入錠子上 的孔中，采用BT20焊條用鴇極氬弧焊進行封閉，組焊成自耗電極。
2) 裝爐
坩堝的法蘭盤、內壁和底座用砂紙打磨光滑，用脫脂棉擦干凈。檢查坩堝 的法蘭盤與內壁的焊縫及其各部分的表面有無被電弧擊中的燒傷痕跡或凹坑。 用BT20電極殘頭切片放在坩堝底部作為底墊，在底墊上放置30mm高的BT20 三角形引弧料。自耗電極與坩堝內壁之間的周圍間隙保持一致，約30 40mm。
3) 熔煉
將自耗電極裝入真空自耗電弧凝殼爐中，啟動真空機組，抽至高真空后起 弧熔煉，熔煉控制參數
① 電壓38 40V，電流12000 18000A;
② 真空度控制在2xlO'2Pa;
③ 自耗電極與坩堝內壁的間隙>30mm;
④ 冷卻水水壓0.4MPa，坩堝進水口水溫19°C，坩堝出水口水溫38°C。 合金錠熔煉完成后進行鍛造開坯，采用上述工藝重熔2 3次，確保成分均勻。
熱處理工藝
采用的熱處理工藝為固溶+時效，退火；
固溶溫度700 820°C,保溫時間0.5 2小時，冷卻方式空淬或水淬； 時效溫度500 650°C，保溫時間4 20小時，冷卻方式空冷；
退火溫度700 820°C，保溫時間0.5 2小時，冷卻方式爐冷。
具體實施例方式
實施例一
一種高硬度鑄造用鈦合金，基體為鈦。該合金主要化學成份按質量百分比 計Al為6.1%、 Zr為2.5%、 Mo為1.8%、 V為2.0%、 Cr為1.5%;雜質元素 含量控制在C《0.腦、Si《0.15%、 Fe《0.25%、 N《0.05%、 H《0.0150/。、 O《0.15%，余量為Ti。
實施例二
一種高硬度鑄造用鈦合金，基體為鈦。該合金主要化學成份按質量百分比 計Al:5.5%， Zr:1.5%， Mo:0.5%， V:0.8%， Cr:1.5%。雜質元素含量應控制在 C:《0.10%， Si:《0.15%， Fe:《0.25%， N:《0.05%, H:《0.015%， O:《0.15%， 余量為Ti。
實施例三
一種高硬度鑄造用鈦合金，基體為鈦。該合金主要化學成份按質量百分比 計Al:7.0%， Zr:2.5%， Mo: 2.0%， V: 2.5%， Cr: 4%。雜質元素含量應控制在 C:《0.10%， Si:《0.15%， Fe:《0.25%， N:《0.05%， H:《0.015%， O:《0.15%， 余量為Ti。
實施例四
一種高硬度鑄造用鈦合金的制備方法，包括下述工藝步驟
1) 合金電極制備
以BT20棒材及金屬鉻作為原材料，BT20鈦合金名義成分為 Ti-6Al-2Zr-lMo-lV的鈦合金，經清潔化處理后，將金屬鉻采用機械粉碎的方法 碎化成一定顆粒的金屬砂，尺寸要求〈lmm，并在BT20錠子上采用鉆床打 020mm的眼，深度0.8R，均勻分布于錠子中下部；將金屬鉻粉末或顆粒按制備 該合金需要的配比裝入錠子上的孔中，采用BT20焊條用鎢極氬弧焊進行封閉， 組焊成自耗電極；
2) 裝爐
坩堝的法蘭盤、內壁和底座用砂紙打磨光滑，用脫脂棉擦干凈，檢査坩堝 的法蘭盤與內壁的焊縫及其各部分的表面有無被電弧擊中的燒傷痕跡或凹坑， 用BT20電極殘頭切片放在坩堝底部作為底墊，在底墊上放置30mm高的BT20 三角形引弧料，自耗電極與坩堝內壁之間的周圍間隙保持一致，約40mm;
3) 熔煉
將自耗電極裝入真空自耗電弧凝殼爐中，啟動真空機組，抽至高真空后起 弧熔煉，熔煉控制參數
電流為15000A，電壓38V，直空度控制在2xlO'2Pa;冷卻水水壓0. 4MPa， 坩堝進水口水溫19°C，坩堝出水口水溫38°C。制成鑄造用合金錠。
采用上述熔煉工藝重熔3次，確保成分均勻，再進行熱處理。
鑄態硬度HRC為38 39，經1小時780。C爐冷退火后為38.5 39.5;經l 小時78(TC固溶水冷后，再經十小時520。C時效空冷其硬度HRC為39.5 40.5。 合金主要化學成份按質量百分比計Al為6.25。/。、 Zr為2.0。/。、 Mo為1.5。/b、 V 為2.0%、 Cr為l線雜質元素含量控制在C《0.100/。、 Si《0.15%， Fe《0.25%、 N《0.05%、 H《0.015%、 O《0.15%，余量為Ti。
權利要求
1、一種高硬度鑄造用鈦合金，是以Ti為基體，其特征是主要化學成分按質量百分比計Al為5.5～7.0％、Zr為1.5～2.5％、Mo為0.5～2.0％、V為0.8～2.5％、Cr為1.5～4％；雜質元素含量控制在C≤0.10％、Si≤0.15％、Fe≤0.25％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量為Ti。
2、 根據權利要求1所述的一種高硬度鑄造用鈦合金的制備方法，其特征包 括下述工藝步驟采用水冷銅坩堝真空自耗凝殼爐進行熔配1) 合金電極制備以BT20棒材及金屬鉻作為原材料，BT20鈦合金名義成分為 Ti-6Al-2Zr-lMo-lV的鈦合金，經清潔化處理后，將金屬鉻采用機械粉碎的方法 碎化成一定顆粒的金屬砂，尺寸要求〈lmm，并在BT20錠子上采用鉆床打眼， 眼大小φ10 20mm，深度0.5 0.8R，均勻分布于錠子中下部；將金屬鉻粉末 或顆粒按一定配比裝入錠子上的孔中，采用BT20焊條用鎢極氬弧焊進行封閉， 組焊成自耗電極；2) 裝爐坩堝的法蘭盤、內壁和底座用砂紙打磨光滑，用脫脂棉擦干凈，檢査坩堝 的法蘭盤與內壁的焊縫及其各部分的表面有無被電弧擊中的燒傷痕跡或凹坑， 用BT20電極殘頭切片放在坩堝底部作為底墊，在底墊上放置30mm高的BT20 三角形引弧料，自耗電極與坩堝內壁之間的周圍間隙保持一致，約30 40mm;3) 熔煉將自耗電極裝入真空自耗電弧凝殼爐中，啟動真空機組，抽至高真空后起 弧熔煉，熔煉控制參數① 電壓38 40V，電流12000 18000A;② 真空度控制在2xl0-2Pa;③ 自耗電極與坩堝內壁的間隙>30mm;④ 冷卻水水壓0.4MPa，坩堝進水口水溫19℃,坩堝出水口水溫38℃; 合金錠熔煉完成后進行鍛造開坯，采用上述熔煉工藝重熔2 3次，確保成分均勻。
3、根據權利要求2所述的一種高硬度鑄造用鈦合金的制備方法，其特征在 于將制備成的合金錠再進行熱處理，采用的熱處理工藝為固溶+時效，退火； 固溶溫度700 820°C，保溫時間0.5 2小時，冷卻方式空淬或水淬； 時效溫度500 650°C，保溫時間4 20小時，冷卻方式空冷； 退火溫度700 820°C，保溫時間0.5 2小時，冷卻方式爐冷。
全文摘要
一種高硬度鑄造用鈦合金，是以Ti為基體，其特征是主要化學成分按質量百分比計Al為5.5～7.0％、Zr為1.5～2.5％、Mo為0.5～2.0％、V為0.8～2.5％、Cr為1.5～4％；雜質元素含量控制在C≤0.10％、Si≤0.15％、Fe≤0.25％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量為Ti。本合金所具有的硬度值與常規鈦合金硬度值相比，能穩定控制在HRC38～42范圍內，硬度高，且具有良好的綜合力學性能，可用于要求具有一定硬度和良好綜合力學性能的鈦合金部件的研制和生產。
文檔編號C22F1/18GK101343705SQ20081001294
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月26日 優先權日2008年8月26日
發明者劉時兵, 張春輝, 濤 游, 蘇貴橋, 軍 趙 申請人:沈陽鑄造研究所