含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金的制作方法

專利名稱：含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金的制作方法
技術領域：
本發明屬于鈦合金材料技術領域，特別涉及到一種含鋁和礬且具有高強度和鑄造 流動性能的低密度鈦合金。
背景技術：
鈦合金具有較高的強度、較低的密度以及耐腐蝕性能，已廣泛應用于航空、航天、 航海、化工和體育休閑領域。一直以來，人們希望能得到更高強度、更高鑄造性能的低密度 鈦合金，從而進一步擴大鈦合金的應用。低密度鈦合金具有巨大的市場潛力，如用低密度鈦合金制造的高爾夫球桿頭可以 降低現用鈦制球桿頭的重量和增加球桿頭的體積，以利于提高高爾夫球的飛行距離和擊球 的準確性。低密度鈦合金是一種輕型材料，特別適合制作高爾夫球桿頭，以減輕高爾夫球桿 頭的重量。在減輕高爾夫球桿頭重量的前提下，可以增加球桿頭的體積或厚度，從而增加球 桿頭的強度和剛性，提高球手在擊球時的準確性。增加球桿頭的強度也就是要增加低密度 鈦合金的強度，這里所指的強度包含有屈服強度、抗拉強度和硬度等指標。用于制造高爾夫球桿頭的低密度鈦合金本研究所已研發多年，如①專利申請號為200710189636. 5申請了一種新型低密度鑄造鈦合金材料，通過 Al、Mo、V等元素的含量調整，得到Ti-8. 7A1-0. 5Mo-0. 5V，該鈦合金材料的構成為(89. 0 91. 0)Ti-(8. 3 9. 0)Al-(0. 3 0. 8)Mo-(0. 3 0. 8)V。該鈦合金材料的強度很低。②專利申請號為201010030174.4申請了一種低密度高性能鈦合金材料及其制 備方法，得到Ti-9Al-lMo-lV,該鈦合金材料的構成為(87. 0 90. 0)Ti-(8. 35 10. 0) Al-(0. 75 1. 5)Mo-(0. 75 1. 5)V。雖然該鈦合金材料的強度有所提高，但用在高爾夫球 桿頭上仍顯強度較低，特別是該鈦合金材料的鑄造流動性能有待進一步提高。③專利申請號為201010142643. 1申請了一種低密度高鑄造性能鈦合金材料及 其制備方法，得到Ti-9Al-lMo，該鈦合金材料的構成為:Ti :87.0 91.0%、A1 :8. 4 10. 0%、Mo :0. 5 2. 0%、以及總量為0 0. 8%的(V、Nb、Cr)，其余為不可避免雜質。該 鈦合金材料的強度較低且鑄造流動性能有待進一步提高。④Ti-6A1_4V是一種具有較高強度的鈦合金材料，但該鈦合金材料的鑄造流動性 能較低。鑄造流動性能的含義是指鈦合金材料經真空熔煉后，熔化的鈦液在鑄造用模殼、 澆注系統中的流動能力、充型能力，通常以鈦液流經標準螺旋型澆道的長度來衡量鈦合金 材料的鑄造流動性能的優劣。上述專利申請或Ti-6A1-4V的力學性能見下表 除了上述幾種低密度鈦合金材料外可能還有另外一些未公開的低密度鈦合金。但 是，在只含有鋁和礬所構成的鈦合金中首先具備低密度的重要前提下一如何進一步提高其強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金至今未見報道。圍繞含有鋁和礬且具有高硬度和鑄造流動性能的低密度鈦合金以滿足高爾夫球 桿頭的特殊要求可能存在如下幾點問題1)在鈦基體中添加Mo、V、Nb等0穩定元素或添加Zr、Sn等中性元素可以提高低 密度鈦合金的硬度，但是添加的這些元素由于比重較高，所構成的鈦合金其密度就會大大 降低；2)在鈦基體中添加適量的鋁(A1)雖然能得到低密度鈦合金，但鋁含量過高會導 致鈦合金的塑性下降，甚至出現脆斷現象，從而降低鈦合金的強度；3)在鈦基體中添加適量的礬(V)雖然可以抑制材料中脆性相的析出，提高材料的 強度，但釩含量加入過多會顯著降低材料的密度，降低材料的流動性能；同時礬含量過高同 樣也會導致鈦合金的塑性下降并出現脆斷現象，從而降低鈦合金的韌性。通過上述幾點問題的分析可以看出在鈦基體中添加多大量的A1和V以滿足高爾 夫球桿頭的強度和鑄造流動性能已不是簡單的配比問題，同樣也不是上述三種專利申請和 Ti-6A1-4V經過本領域技術人員不需要創造性的勞動付出就能得到具有高強度和鑄造流動 性能低密度鈦合金的問題。

發明內容
為解決上述問題，本發明提供了一種含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低 密度鈦合金，該低密度鈦合金通過在海綿鈦基體中加入適量的純A1和適量的A1-V中間合 金使其自身具備高強度，尤其在鑄造高爾夫球桿頭的過程中具有很好的鑄造流動性能，并 且符合鈦合金的低密度要求，進一步擴大了該鈦合金的應用范圍。為了實現解決上述技術問題的目的，本發明采用了如下技術方案所述的含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金是在重量百分比 (wt% )為86. 0 90. 0的海綿鈦(Ti)基體中加入有純鋁(A1)和鋁-礬(A1-V)中間合金， A1-V中間合金是以含V量為55 %的A1-V中間合金形式加入，在含V量為55 %的A1-V中間 合金中含A1量> 43%其余為微量不可避免的雜質，故具有高強度和鑄造流動性能的低密 度鈦合金所含A1的總含量包括所加入的純A1量和含V量為55%的A1-V中間合金中的含 A1量；按重量百分比稱取3. 32 7. 16的純鋁和5. 64 8. 18的含V量為55%的鋁-礬中間 合金兌入到86. 0-90. 0的海綿鈦中并攪拌均勻成Ti-Al-V混合料，將Ti_Al_V混合料通過 壓力機壓制成海綿鈦電極，然后將海綿鈦電極放在真空自耗電極電弧爐或是真空感應爐中 進行真空熔煉得到含A16. 85 9. 5%、含礬3. 1 4. 5%和含鈦86. 0 90. 0%的具有高強 度和鑄造流動性能的低密度鈦合金，所述低密度鈦合金的名義含量表達式為(86. 0-90. 0) Ti-(6. 85-9. 5)Al-(3. 1-4. 5)V。在保持(86. 0-90. 0)Ti-(6. 85-9. 5)A1_(3. 1-4. 5)V的情況下，本發明優選的技術 方案是按重量百分比稱取5. 57 6. 0的純鋁和6. 73 7. 0的含V量為55%的鋁-礬中 間合金兌入到87. 0 88. 0的海綿鈦并攪拌均勻成Ti-Al-V混合料，將Ti_Al_V混合料通過 壓力機再壓制成海綿鈦電極，然后將海綿鈦電極放在真空自耗電極電弧爐或是真空感應爐 中進行真空熔煉得到含A18. 3 9. 1%、含礬3. 5 3. 9%和含鈦87. 0 88. 0%的具有高 強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金，所述低密度鈦合金的含優選含量表達式為(87. 0 88. 0)Ti-(8. 3 9. l)Al-(3. 5 3. 9)V。上述兩種技術方案中除了采用含V量為55%的鋁-礬中間合金外，或是采用含V 量> 55%的鋁-礬中間合金，或是采用含￥量< 55%的鋁-礬中間合金；當采用含￥量> 55%的鋁-礬中間合金或含采用V量< 55%的鋁-礬中間合金確定后，根據(86. 0-90. 0) Ti-(6. 85-9. 5) A1-(3. 1-4. 5) V 或(87. 0 88. 0) Ti_ (8. 3 9. 1) A1-(3. 5 3. 9) V 的含量 范圍來對應調整純鋁和含V量> 55 %的鋁-礬中間合金或含V量< 55 %的鋁-礬中間合 金的重量百分比加入量。壓制的海綿鈦電極放在真空自耗電極電弧爐中進行真空熔煉或放在真空感應爐 中進行真空熔煉的控制過程同現有鈦合金的熔煉過程無本質區別，通過真空自耗電極電弧 爐或真空感應爐都可得到上述本發明的具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金。所不同的是本發明是以純A1和A1-V中間合金的重量配比形式得到熔煉后A1和 V實際真正含量的一種低密度鈦合金，A1和V實際真正含量的測量通過其成分的檢測而得。通過采用如上所述的技術方案，本發明具有如下優越性1、本發明含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金具有較低的密 度、較好的鑄造流動性能、較高的強度和硬度，同時延伸率和沖擊韌性沒有太大變化。2、本發明含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金其力學性能、鑄 造性能、密度等的指標如下1)鑄造力學性能室溫屈服強度彡840MPa，抗拉強度彡910MPa，延伸率彡6. 0%, HRC彡32，沖擊韌性彡12J/cm2 ；2)鑄造流動性能流動性試樣長度> 570mm ；3)材料密度4. 35—4. 41g/cm3。3、本發明含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金由于具有很好 的鑄造流動性能，在澆注高爾夫球桿頭的成品率幾乎達到98%以上，并適合于制備其它承 重結構件。
具體實施例方式幾乎所有鈦合金中都含有A1，目前普遍認為A1的含量不能超過7%，否則固溶 處理時將得到過飽和固溶體，導致在時效處理或高溫使用過程中析出硬脆的有序a 2相 (Ti3Al 相)。本發明是在Ti-Al-V三元合金的基礎上，運用正交試驗方法而得。在海綿Ti為基 體中加入純A1、A1-V中間合金，A1可以進一步的降低合金材料的密度和提高合金材料的強 度及鑄造流動性能。V的熔點很高，不易溶解，為降低成本，本發明采用含V為55%的A1-V 中間合金形式加入，V可以提高合金材料強度，適量的V在起到固溶強化、不降低合金材料 鑄造流動性的同時可以抑制Ti3Al脆性相的析出。當A1含量低于本發明的下限值時其合 金材料的密度降低不明顯且強度很低，當A1含量高于本發明的上限值時Ti3Al脆性相析出 過多，導致合金材料的脆性斷裂。當V含量較低時合金材料的強度會有所降低，當V含量較 高時會提高合金材料的密度且降低材料的流動性能。此外，A1和V的作用機理還可以理解如下1)A1的添加不僅可以起到固溶強化的作用，還可提高強度，因為A1能夠提高氫在a鈦中的固溶度，減少因氫化物析出而引起的氫脆；2) A1的熔點很低，約660°C，通過大幅度地提高A1含量使合金材料的熔點降低，從 而增加熔煉澆鑄時材料的過熱度，提高材料的流動性能；3)凡是使合金材料的結晶溫度變寬的合金元素會降低材料的流動性和充型性，A1 的加入雖然擴大了合金的結晶溫度間隔，但由于結晶熱的影響，A1元素隨著含量的增加反 而提高了合金材料的流動性能。本發明的低密度鈦合金配比五種實施例及熔煉后的名義含量表達式參見下表
實施例 ^^弓.配比名義含量表達式純鋁 (wt%)含V量為55% 的A1-V中間合 金(包含微量不 可避免的雜質) (wt%)海綿鈦 (wt%)實施例13.328.1888.588.5Ti-6.85Al-4.50V實施例25.576.7387.787.7Ti-8.35Al-3.70V實施例36.156.5587.387.3Ti-8.80Al-3.60V實施例46.007.0087.087.0Ti-9.10Al-3.85V實施例57.165.6487.287.2Ti-9.50Al-3.10V上表以純鋁的配比加入量為主來調整A1-V中間合金和海綿鈦的加入量。同時由 于“含V量為55%的A1-V中間合金”除了含V量55%是唯一確定外，不同批次購買的“含 V量為55%的A1-V中間合金”中的含A1量和微量不可避免雜質的含量是有區別的，因此 對不同批次“含V量為55%的A1-V中間合金”要作出含量檢測，根據檢測結果來微量調整 “含V量為55%的A1-V中間合金”的重量百分比加入量，并對純鋁的重量百分比加入量作 出相應的微量調整使之符合本發明(86. 0-90. 0)Ti-(6. 85-9. 5)A1_(3. 1-4. 5)V或(87. 0 88. 0)Ti-(8. 3 9. 1)A1_(3. 5 3. 9)V 的含量構成。根據上表所舉實施例的具體配比在混合攪拌均勻的情況下通過壓力機可壓制成 海綿Ti電極，壓制成的海綿Ti電極其熔煉過程已是本領域公知的常識，比如1、將海綿Ti電極放在真空自耗電極電弧爐中進行真空熔煉，熔煉真空度控制在 0-10Pa,弧電壓控制在30-36V，弧電流控制在5000-6000A。熔煉后得到的低密度鈦合金在 真空自耗電極凝殼爐中并在真空度為0-5Pa、弧電壓為30-40V、弧電流為20000-30000A的 條件下進行產品Ti-8A1-4V的澆注，即可得到本發明的含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動 性能的低密度鈦合金。2、或將海綿Ti電極放在真空感應爐中進行真空熔煉，在其真空度為0_5Pa、熔煉 功率為200-300KW條件下進行熔煉得到產品Ti-8A1-4V的澆注，也能得到本發明的含鋁和 礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金。
通過檢測，上述五種實施例熔煉后得到的低密度鈦合金其力學性能見下表 本發明的綜合力學性能見下表 上述兩個力學性能表與背景技術中的力學性能表相比，本發明在具備 (4. 35-4. 41g/cm3低密度的要求同時其強度和鑄造流動性能到得到了大幅提高。市場上除了銷售有含V量為55 %的鋁-礬中間合金外，通常還銷售有含V量為 60% (即含V量>55%)的鋁-礬中間合金，或是含V量為50% (即含V量<55%)的鋁-礬 中間合金，這時應根據本發明(86. 0-90. 0)Ti-(6. 85-9. 5)A1_(3. 1-4. 5)V 或(87. 0 88. 0) Ti-(8. 3 9. l)Al-(3. 5 3. 9)V的含量范圍來對應調整純鋁和上述兩種鋁-礬中間合金 的重量百分比加入量，這樣的重量百分比換算不復雜，當含V量>55%時提高純鋁的重量 百分比加入量，當含V量< 55%時降低純鋁的重量百分比加入量。比如實施例1中的含V量為55%的A1-V中間合金替換為含V量為60%的A1-V
中間合金，則本發明的重量百分比構成如下 又如實施例1中替換成含V量為50%的Al-V中間合金，則構成如下 顯然本發明使用的Al-V中間合金其V量是可以有調整范圍的。本發明通過對Al或V元素在鈦合金中的作用機理研究以及不同Al或V的添加量 對合金材料強度、密度或鑄造流動性的影響研究，最終確定了合適的Al、V含量范圍，成功 消除了 Al含量選擇不當產生材料脆性斷裂的問題，消除了 V含量選擇不當導致的力學性能 降低或鑄造流動性差的問題，滿足了高爾夫球桿頭的強度和鑄造流動性能要求。本發明的低密度鈦合金比現有低密度鈦合金具有更高的強度和更好的鑄造流動 性能。
權利要求
一種含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金是在重量百分比(wt％)為86.0～90.0的海綿鈦(Ti)基體中加入有純鋁(Al)和鋁-礬(Al-V)中間合金，Al-V中間合金是以含V量為55％的Al-V中間合金形式加入，在含V量為55％的Al-V中間合金中含Al量≥43％其余為微量不可避免的雜質，故具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金所含Al的總含量包括所加入的純Al量和含V量為55％的Al-V中間合金中的含Al量，其特征在于按重量百分比稱取3.32～7.16的純鋁和5.64～8.18的含V量為55％的鋁-礬中間合金兌入到86.0-90.0的海綿鈦中并攪拌均勻成Ti-Al-V混合料，將Ti-Al-V混合料通過壓力機壓制成海綿鈦電極，然后將海綿鈦電極放在真空自耗電極電弧爐或是真空感應爐中進行真空熔煉得到含Al6.85～9.5％、含礬3.1～4.5％和含鈦86.0～90.0％的具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金，所述低密度鈦合金的名義含量表達式為(86.0-90.0)Ti-(6.85-9.5)Al-(3.1-4.5)V。
2.如權利要求1所述的含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金，其特 征在于按重量百分比稱取5. 57 6. 0的純鋁和6. 73 7. 0的含V量為55%的鋁-礬中 間合金兌入到87. 0 88. 0的海綿鈦并攪拌均勻成Ti-Al-V混合料，將Ti_Al_V混合料通過 壓力機再壓制成海綿鈦電極，然后將海綿鈦電極放在真空自耗電極電弧爐或是真空感應爐 中進行真空熔煉得到含A18. 3 9. 1%、含礬3. 5 3. 9%和含鈦87. 0 88. 0%的具有高 強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金，所述低密度鈦合金的含優選含量表達式為(87. 0 88. 0)Ti-(8. 3 9. l)Al-(3. 5 3. 9)V。
3.如權利要求1或2所述的含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金， 其特征在于鋁_礬中間合金或是采用含V量> 55%的鋁-礬中間合金，或是采用含V量 < 55 %的鋁-礬中間合金；當采用含V量> 55 %的鋁-礬中間合金或含采用V量< 55 %的 鋁-礬中間合金確定后，根據(86. 0-90. 0)Ti-(6. 85-9. 5)A1_(3. 1-4. 5)V 或(87. 0 88. 0) Ti-(8. 3 9. l)Al-(3. 5 3. 9) V的含量范圍來對應調整純鋁和含V量> 55%的鋁-礬中 間合金或含V量< 55%的鋁-礬中間合金的重量百分比加入量。全文摘要
本發明提供一種含鋁和礬且具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金，在重量百分比為86.0～90.0的海綿鈦(Ti)基體中加入有純鋁(Al)和鋁-礬(Al-V)中間合金，稱取3.32～7.16的純鋁和5.64～8.18的含V量為55％的鋁-礬中間合金兌入到86.0-90.0的海綿鈦中并攪拌均勻成Ti-Al-V混合料，將Ti-Al-V混合料通過壓力機壓制成海綿鈦電極，然后將海綿鈦電極放在真空自耗電極電弧爐或是真空感應爐中進行真空熔煉得到含Al6.85～9.5％、含礬3.1～4.5％和含鈦86.0～90.0％的具有高強度和鑄造流動性能的低密度鈦合金，澆注高爾夫球桿頭成品率達98％并適合制備承重件。
文檔編號C22C1/03GK101876014SQ201010180080
公開日2010年11月3日 申請日期2010年5月24日 優先權日2010年5月24日
發明者周洪強, 姜建偉, 王孟光, 陳志強 申請人:洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司