一種高強度鈦鐵鈮碳合金的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及材料科學和有色金屬及其合金，特別是鈦合金。
【背景技術】
[0002] 鈦是一種中低密度金屬（其密度為4. 5)，其合金具有較高的比強度，中溫性能好， 無磁性，具有極強的耐腐蝕能力，焊接性能好，是性能優異的金屬結構材料。鈦的儲量豐富， 含鈦的礦物多達70多種，約占地殼總重量0. 42%，在金屬界里排行第七，是銅、鎳、鉛、鋅的 總量的16倍。鈦及其合金應用100余年來，在航空、航天、艦船、核電、武器裝備、石油開采 和生物醫學材料等高技術領域日益占據主導地位。
[0003] 為了調控合金組織、優化性能，需要加入一些過渡金屬元素如釩、鉬、鉻、鎢、鎳、 鈷等達到穩定β相的目的。由于一些β相穩定元素熔點較高，難以熔煉，例如釩（熔點 l89〇°C )、鉬（熔點 26KTC )、鉻（熔點 l9〇7°C )、鉭（熔點 2996°C )、鎢（熔點 338〇°C )，這 些高熔點原料的使用必將提高鈦合金的制造成本。另外，根據粗略市場調查，常用合金化元 素的價格高昂，例如，釩（約3000元/KG)、鉬（約500元/KG)、鉻（約650元/KG)、鉭（約 4800元/KG)、鎢（約500元/KG)。綜合上述各因素，不利于鈦合金的規模化應用。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種原料的熔點和成本均較低的高強度鈦鐵鈮碳合金。該 合金為一種具有較高鐵含量及較高碳含量的鈦合金材料。
[0005] 本發明的技術方案是通過下述方式實現的：
[0006] 1、本發明的高強度鈦鐵鈮碳合金材料，其質量百分比為：Fe的含量為 10. 5-11. 5 %，Nb的含量為8. 5-9. 5 %，C的含量為0. 03-0. 07 %，余量為Ti和不可避免的雜 質。
[0007] 2、本發明的制備方法如下：
[0008] 1)非自耗電弧爐熔煉
[0009] 按照合金給定配比稱取原料配制合金，將配好成分的合金置于電弧爐的水冷銅坩 堝中，利用真空非自耗電弧爐進行熔煉，熔煉前電弧爐的背底真空度高于2. OX IO2Pa,弧焊 電源工作電流范圍為300-500A，工作電壓范圍為15-30V (熔煉過程中根據熔體狀態需要適 當調整熔煉設備相關參數）；熔煉完畢的合金錠隨坩堝冷卻，為確保合金成分均勻，每個合 金錠要在電弧爐中反復熔煉最少8次。熔煉均勻的合金從坩堝中取出后，用于鑄造態樣品 性能分析或后續加工。
[0010] 2)中頻電爐真空水冷銅坩堝熔煉
[0011] 將合金原料按比例配料，置于中頻電爐真空水冷銅坩堝中熔煉，熔煉過程中用電 磁攪拌促進合金均勻化。熔煉前電弧爐的背底真空度高于2. OX 10 2Pa，中頻電爐頻率為 13KHz，直流電流250A，中頻電流為600A，額定電壓為380V。熔煉時，先于80KW預熱3分鐘 至合金表面融化，升功率100KW保持3分鐘，隨后繼續升功率至120KW，待合金完全融化繼續 保持功率3分鐘精煉，最后功率降至0,充氬氣保護冷卻20分鐘（熔煉過程中根據熔體狀態 需要適當調整熔煉設備相關參數）。合金的翻轉借助電爐自帶的電磁攪拌裝置完成。
[0012] 本發明中Fe為主要合金化元素，Nb為次要合金化元素，C為微量合金化元素。由 于Fe、Nb元素的加入，鈦合金為完全β態組織，并存在一定數量的化合物相作為基體強化 相。所用合金元素的作用包括穩定β相、固溶強化、第二相強化、改善合金微觀組織及降低 合金中氧元素對性能的影響等。
[0013] 本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0014] 1、本發明合金中鐵的含量占比較高，發明中所用的鐵可以用普通純度的鐵、商用 鐵粉、鋼材甚至回收鋼材，遠遠低于其他β穩定元素的原料成本，從而降低合金的原料成 本。
[0015] 2、綜合力學性能較好，其合金鑄造態樣品在單軸壓縮載荷作用下屈服強度為 1150MPa，斷裂強度可超過3000Mpa，同時其工程應變為37. 7%。合金乳制態和熱鍛態樣品 在單軸拉伸測試條件下屈服強度超過lOOOMPa，同時其延伸率超過14%。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明鑄態合金的壓縮應力應變曲線圖。
[0017] 圖2是本發明鑄態合金的金相顯微組織照片圖。
[0018] 圖3是本發明熱乳態合金的金相顯微組織照片圖。
[0019] 圖4是本發明熱鍛態合金的金相顯微組織照片圖。
【具體實施方式】
[0020] 實例 1
[0021] 用79. 9克純鈦絲和10. 97克碳含量為0. 45 %的鐵碳合金、9. 12克純鈮等原料配 料，用非自耗真空電弧爐熔煉，熔煉時電弧爐的背底真空度高于2. OX 10 2Pa，弧焊電源工作 電流為400A，工作電壓為20V。合金經初次熔煉成一個整體后，在坩堝中翻面進行二次熔 煉，如此反復，共計8次。
[0022] 待合金熔煉完畢，用電火花線切割的方法從合金錠中切下尺寸為Φ 5X IOmm的合 金樣品，用帶引伸計的壓縮力學試驗機進行力學性能測試。用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡 觀察了合金的顯微組織。鑄態合金的壓縮力學性能測試表明，其屈服強度為1150MPa，延伸 率為37. 7% (工程應變），壓縮斷裂強度為3055MPa(工程應力）。從圖1所示的本發明鑄 態合金單軸壓縮條件下的應力-應變曲線圖可以看出：該鑄態合金在壓縮載荷作用下體現 出極高的應變硬化特征，塑性極佳；從圖2所示的本發明鑄態合金的金相顯微組織照片圖 可以看出：合金的顯微組織由鈦基體和在基體中均勻分布的強化相組成，其強化相主要分 布于晶粒內部。
[0023] 實例 2
[0024] 用79. 9克鈦絲和10. 97克碳含量為0. 56%的鐵碳合金、9. 12克純鈮等原料配料， 用非自耗真空電弧爐熔煉。熔煉時電弧爐的背底真空度高于2. OX 10 2Pa，弧焊電源工作電 流為450A，工作電壓為30V。合金經初次熔煉成一個整體后，在坩堝中翻面進行二次熔煉， 如此反復，共計8次。
[0025] 待合金熔煉完畢后，用電火花線切割從合金錠中切下長寬高為40、40、15的合金 樣品，于900度進行多道次乳制，道次變形量控制在10 %以內，總變形量為60 %以上，乳制 后合金用水淬或空冷的方式冷至室溫。將合金板用電火花線切割成拉伸試樣，用帶有引伸 計的拉伸力學試驗機進行力學性能測試，用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡觀測了合金的顯 微組織。從圖3所示的本發明熱乳態合金的金相顯微組織照片圖可以看出，合金的組織經 乳制后呈現一定的取向性，基體組織細化。
[0026] 實例 3
[0027] 用3995克純鈦絲、548. 5克碳含量為0. 56%的鐵碳合金和456克純鈮按比例配 料，在中頻電爐真空水冷銅坩堝中熔煉，熔煉過程中用電磁攪拌促進合金均勻化。熔煉前 電弧爐的背底真空度高于2. OX 10 2Pa，中頻電爐頻率為13KHz，直流電流250A，中頻電流為 600A，額定電壓為380V。熔煉時，先于80KW預熱3分鐘至合金表面融化，升功率100KW保持 3分鐘，隨后繼續升功率至120KW，待合金完全融化繼續保持功率3分鐘精煉，最后功率降至 0,充氬氣保護冷卻20分鐘（熔煉過程中根據熔體狀態需要適當調整熔煉設備相關參數）。 合金的翻轉借助電爐自帶的電磁攪拌裝置完成。
[0028] 待合金熔煉完畢后，澆注成合金圓棒。將所制的合金棒于1150°C溫度范圍內開坯 鍛造，于950°C精鍛成型并空冷至室溫。鍛后合金變形量大于60%。用電火花線切割分別切 下拉伸和壓縮實驗樣品，用帶引伸計的力學試驗機進行力學性能測試。合金經鍛造后拉伸 屈服強度為l〇49MPa，延伸率為14. 4%，具有優異的綜合機械性能。從圖4所示的本發明熱 鍛態合金的金相顯微組織照片圖可以看出，合金的基體組織進一步細化，強化相分布均勻。
[0029] 表一給出了本發明不同制備條件下合金的基本力學性能參數
[0030]
【主權項】
1. 一種高強度鈦鐵鈮碳合金，其特征在于：其質量百分比為：Fe的含量為 10. 5-11. 5 %，Nb的含量為8. 5-9. 5 %，C的含量為0. 03-0. 07 %，余量為Ti和不可避免的雜 質。
【專利摘要】一種高強度鈦鐵鈮碳合金，其特征在于：其質量百分比為：Fe的含量為10.5-11.5％，Nb的含量為8.5-9.5％，C的含量為0.03-0.07％，余量為Ti和不可避免的雜質。本發明合金中鐵的含量占比較高，低于其他β穩定元素的原料成本，從而降低合金的原料成本；本發明綜合力學性能較好，合金熔煉較易。
【IPC分類】C22C14/00
【公開號】CN105018792
【申請號】CN201510518055
【發明人】賈元智, 王志共, 劉延國, 馬明臻, 劉日平
【申請人】燕山大學
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年8月21日