一種低成本高性能鈦合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于鈦合金材料技術領域，具體涉及一種低成本高性能鈦合金的成分設計 及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 鈦及鈦合金因具有低密度、高比強度、耐高溫、耐腐蝕、無磁、生物兼容等優異性 能，在航空、航天、艦船等領域得到大量的應用，然而鈦的高成本限制了鈦及鈦合金的應用 范圍，尤其在民用領域。目前工業鈦合金中合金化元素多數使用V、Mo、Nb、Zr、Sn和Ta等 貴重金屬，使鈦合金的成本居高不下，影響了鈦合金的使用范圍。
[0003] 目前降低鈦合金成本的途徑有：通過改進原材料（海綿鈦）的生產方式來降低原 材料成本、采用廉價合金化元素、簡化鈦合金加工工藝、優化鈦制品加工技術等各種方法。 其中采用廉價合金化元素方面，采用相對于A1-V合金廉價的Mo-Fe合金作為中間合金達到 降低成本的目的。然而Mo的價格仍然較貴，因此成本降低有限，只有Fe、Al、Si、Cr、C、0、N 和B等資源豐富的廉價元素才能達到大幅度降低鈦合金成本的目的。
[0004][0005][0006]
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是采用廉價的Fe-B中間合金或單質鐵作為中間合金出發點，氧元 素以1102形式加入，提供一種低成本高性能鈦合金的成分設計以及制備方法。
[0008] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0009] -種低成本高性能的鈦合金，合金成分含量按質量百分數計：含Fe:1~5%，0 : 0. 1~0. 4%，B:0. 1~0. 3%，余量為鈦和不可避免的雜質；低成本鈦合金中雜質含量按百 分比計為：0.05%，0.01%，Si< 0.05%，0.001%，其他的雜質元素含量按質 量分數計均< 0. 01%。
[0010] 所述低成本高性能鈦合金的雜質含量按百分比計為：0.05%，0.01%， Si彡0.05%，H彡0.001%，其他雜質元素含量均彡0.01%;所述其他元素為Al、V、Ni、Cr、 Mn和Cu等元素。
[0011] Fe作為鈦合金的0穩定元素，其市場價格低廉，Fe加入0鈦合金中，可以加快合 金時效響應速度，達到時效強度峰值所需時間也較短；Fe含量過多時，容易發生偏析形成 "0斑";〇元素是間隙式a穩定元素，在a鈦中有很大的溶解度，在鈦中會形成間隙式固 溶體和金屬化合物相，使鈦合金強度升高，但對合金塑性會造成所害，設計合適的氧含量可 以達到強度提高和塑性下降的最佳狀態；而鈦中加入B元素可以有效的細化鑄態組織并阻 礙后續加工過程中已細化晶粒的長大，從而減少變形火次，達到降低成本的目的。
[0012] 本發明中，原材料的成本與海綿鈦的成本相當，但所述原材料成本比Ti-6A1_4V 合金的原材料成本低15%以上，且力學性能與Ti-6A1-4V合金相當，Ti-6A1-4V合金的性能 如表1所示。中間合金成本如表2所示，Fe-B中間合金成本低于其他中間合金的成本，Fe-B 中間合金的成本如表3所示。
[0013] 表1. Ti-6A1-4V合金的基本力學性能
[0014]
【主權項】
1. 一種低成本高性能鈦合金，其特征在于，該合金以鈦為主體元素，以α穩定元素和 β穩定元素為合金元素，其中α穩定元素為〇和Β，β穩定元素為Fe;所述鈦合金的成分 含量按質量百分比計：含1-5%的Fe，0. 1-0. 4%的0,0. 1-0. 3%的B，余量為鈦和不可避免 的雜質；氧元素以1102形式加入，鈦元素由海綿鈦和TiO2提供，硼元素由Fe-B中間合金提 供，鐵元素由Fe-B中間合金和單質鐵提供。
2. 根據權利要求1所述的鈦合金，其特征在于，所述低成本高性能鈦合金的不可避免 的雜質含量按百分比計為：C彡0.05%，N彡0.01%，Si彡0.05%，H彡0.001%，其他雜質 元素含量均彡〇. 01% ;所述其他元素為Al、V、Ni、Cr、Mn和Cu等元素。
3. -種低成本高性能鈦合金的制備方法，其特征在于：包括以下制備步驟： 第一步：按鈦合金各元素組分計算海綿鈦、Fe-B中間合金、鐵單質、二氧化鈦用量配 比； 第二步：將海綿鈦、Fe-B中間合金、鐵單質、二氧化鈦按配比放入冷坩堝懸浮熔煉爐的 水冷銅坩堝中，對爐體抽真空后通入一定量的高純氬氣，在1600°C時進行15min的合金首 次熔煉；等待鑄錠充分冷卻后，把鑄錠上下倒置放入水冷銅坩堝中進行再次熔煉，如此反復 3-4次后為止； 第三步：鑄錠在相變點以上20-100°C開坯鍛造成棒坯，然后經過軋制后制成Φ 12mm的 棒材； 第四步：對棒材取樣后進行熱處理后進行結構和性能的表征。
4. 根據權利要求3所述的制備低成本高性能鈦合金的方法，其特征在于：所制備出鈦 合金抗拉強度達到950MPa以上，延伸率不小于15%，斷面收縮率不小于25%。
【專利摘要】本發明涉及一種低成本高性能鈦合金及其制備方法。該合金是以鈦為主體元素，另加入三種元素構成的一種四元鈦合金。合金成分含量按質量分數計：Fe：1-5%，O：0.1-0.4%，B：0.1-0.3%，余量為鈦和不可避免的雜質。制備方法如下：按設計的合金成分比例將原材料加入到通入氬氣的冷坩堝懸浮熔煉爐中，反復熔煉幾次后得到鑄錠，鑄錠在相變點以上開坯鍛造成棒坯，然后經過軋制后制成棒材，對棒材取樣進行熱處理，最后進行結構及性能表征。此制備工藝方法簡單，制得合金成分均勻，抗拉強度達到950MPa以上，延伸率不小于15%，斷面收縮率不小于25%。基本力學性能與Ti-6Al-4V相當，但成本與之比較具有降低15%以上的優勢，在某些領域可以替代部分價格較昂貴的鈦合金。
【IPC分類】C22C14-00
【公開號】CN104831122
【申請號】CN201510257529
【發明人】常輝, 張堯, 李峰, 董月成, 崔予文, 魯曉剛, 周廉
【申請人】南京工業大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月19日