一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金的製作方法
2023-06-28 22:25:36 1
一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，由以下質量百分比的成分組成：Al2.0%～3.5%，Nb12%～16%，餘量為Ti和不可避免的雜質。本發明鈦鋁鈮合金在溫度為77K條件下的力學性能滿足：Rm=1300MPa～1400MPa，Rp0.2≥1200MPa，A50≥18%，並且該合金在溫度為77K，循環次數N=105條件下的高周疲勞強度≥1200MPa，比傳統的低溫鈦合金具有更加優異的強塑性匹配，滿足高性能火箭、太空飛行器及宇宙飛船中低溫部件的相關要求。
【專利說明】一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金
【技術領域】
[0001]本發明屬於鈦合金材料【技術領域】，具體涉及一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金。
【背景技術】
[0002]鈦合金部件在液壓容器及導管系統中的低溫條件下安全使用的關鍵是必須防止鈦合金在溫度下降時發生脆化，故多選用塑脆轉變溫度低的a和近a鈦合金作為低溫耐壓工程材料。儘管a和近a鈦合金冷成型及可焊性好，但由於其合金化程度低、微觀組織形式單一，低溫屈服強度和疲勞性能遠低於a + ^鈦合金，導致壓力容器裝載能力有限，而且安全係數較低。為了保障航天、航空、兵器、超導等領域中液氦溫度耐壓部件壽命安全服役的要求，使用的鈦合金不但應具有高的低溫強塑性匹配，還應當具有較高的室溫強塑性，以利於加工和製造。
[0003]綜合考慮以上需求，針對可在液氦溫度(77K)長期服役的工況特點，日本、美國和前蘇聯等國家允許a+P型鈦合金TC4ELI在低溫下使用，但TC4合金成分必須控制為超低間隙級，因為O、C、N等間隙元素含量的增加會大大降低鈦合金低溫斷裂韌性及塑性，導致合金低溫性能對氧含量敏感。而現有美系低溫鈦合金TA7ELI合金儘管不同壓力條件下在氫介質和氮介質的低周疲勞性能、蠕變性能、表面裂紋擴展及力學性能均滿足使用要求，但由於添加了 Sn元素，引發材料脆性增加，室溫冷加工性能較差，無法採用常規冷加工方式製備出管材；同時TA7合金在77K低溫下的高周疲勞性能較低，當循環次數N=IO5時，該合金疲勞強度不到llOOMPa，若用於製造長期服役的低溫耐壓容器，降低了安全係數。
[0004]目前研究的鈦招銀合金多為低溫超導材料,含Nb量40~50%,大量添加Nb元素的目的是為了改善材料物理性能，使其低溫磁導率降低。Y-TiAl中間合金也被使用於77K低溫，但該材料含鋁量大於16%，依靠合金化的Y相來提高材料的低溫強度，且室溫塑性很低，熱加工極易開裂。生物醫藥領域研究的T1-6Al-7Nb合金中添加7%的Nb元素，其目的是降低材料的彈性模量，而加入6%的Al元素的目的是為了保證材料的室溫強度，其低溫使用性能差。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術的不足，提供一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金。該合金通過簡單熱處理後即可獲得高的低溫強塑性匹配；其在77K低溫條件下的抗拉強度Rm為1300MPa~1400MPa，屈服強度Rpa2不小於1200MPa，延伸率A5tl不小於18% ;當循環次數N=IO5時，該合金在77K低溫條件下的高周疲勞強度不小於1200MPa。
[0006]為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A12.0%~3.5%，Nbl2%~16%，餘量為Ti和不可避免的雜質；所述低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金是指該合金在溫度為77K條件下的力學性能滿足:Rm=1300MPa~1400MPa，Rptl 2≥1150MPa, A50≥18%，並且該合金在溫度為77K，循環次數N=IO5條件下的高周疲勞強度≥1200MPa。[0007]上述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A12.5%，Nbl5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
[0008]上述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A12%，Nbl6%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
[0009]上述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13%，Nbl4%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
[0010]上述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13%，Nbl2%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
[0011]上述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13.5%，Nb 12.5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
[0012]上述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13.5%，Nb 13.5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
[0013]上述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13.5%，Nbl5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
[0014]上述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A12%，Nb 14.5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
[0015]本發明低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金的製備方法為鈦合金的常規製備方法:首先根據需要選擇合適的原料，按設計成分混合壓制電極，再用常規真空自耗電弧爐經二次或三次熔煉得到合金鑄錠，然後將合金鑄錠扒皮並切去冒口和尾端後，在液壓鍛造機、鍛錘等自由鍛造設備上進行開坯鍛造和多火次反覆鐓拔鍛造，最後在熱軋機、冷軋機等軋制設備上進行多道次軋製得到棒材或板材。
[0016]本發明與現有技術相比具有以下優點:
[0017]1、本發明不同於現有的高鈮含量的超導合金和生物用T1-6Al_7Nb合金，前者高Nb含量的作用在於提高合金的低溫導電率，後者Nb元素的作用是降低合金的彈性模量，並用Nb元素替代對人體有害的V元素(T1-6A1-4V合金)。該合金的元素配置以合金室溫、77K力學性能和低溫疲勞性能為重點，找出了較佳的各元素含量比例。
[0018]2、本發明添加12%~16%的@同晶型元素Nb，使得合金合金組織中含有適量的穩定@相，立方結構的P相在室溫下滑移面多，易於發生變形，因此提高了合金的室溫塑性；同時Nb元素使合金在低溫下孿晶分數異常多，導致在低溫下孿生切變異常活躍並發生「孿生誘發塑性」現象，提高了材料的低溫塑性。
[0019]3、本發明添加2%~3.5%的Al元素，少量的Al元素不會形成金屬間化合物，但可大幅提高合金強度，同時，獲得的兩相組織既不影響室溫下材料的塑性，還可提高材料的低溫強塑性和疲勞強度；並且不降低合金的加工工藝性能和焊接性能，綜合性能優異。
[0020]4、本發明具有良好的綜合性能，尤其是低溫強塑性和疲勞性能優異，可在77K的低溫條件下長期使用；同時該合金對於氧含量的敏感性低，有良好的可焊性，可採用真空電子束或氬弧焊方法對合金管材、板材進行焊接加工。所製備的合金材料具有良好的綜合性倉泛，
[0021]5、本發明通過簡單熱處理後即可獲得高的低溫強塑性匹配；其在298K室溫條件下的抗拉強度Rm不小於700MPa，屈服強度Rpa2不小於550MPa，延伸率A5tl不小於15% ;在77K低溫條件下的抗拉強度Rm為1300MPa~1400MPa，屈服強度Rpa2不小於1200MPa，延伸率A5tl不小於18% ；當循環次數N=IO5時，該合金在77K低溫條件下的高周疲勞強度不小於1200MPa。
[0022]下面結合實施例對本發明作進一步詳細說明。
【具體實施方式】
[0023]本發明低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金由以下質量百分比的成分組成:A12.0%~
3.5%，Nb 12%~16%，餘量為Ti和不可避免的雜質。該鈦合金所涉及的原料包括鈦鈮合金、鋁豆和海綿鈦。具體製備過程中，首先根據需要選擇合適的原料，按設計成分混合壓制電極，再在常規真空自耗電弧爐中經二次或三次熔煉得到合金鑄錠，然後將合金鑄錠扒皮並切去冒口和尾端後，在液壓鍛造機、鍛錘等自由鍛造設備上進行多火次開坯鍛造和拔長鍛造，最終得到鈦鋁鈮合金棒材。所述開坯鍛造的加熱溫度為1150°C~1250°C，開坯鍛造的火次變形量不小於60%，拔長鍛造的加熱溫度為850°C~980°C，拔長鍛造的火次變形量不大於70%。該鈦鋁鈮合金棒材在溫度為77K條件下的力學性能滿足:Rm=1300MPa~1400MPa，Rp0.2≤1200MPa，A50≤18%，並且在溫度為77K，循環次數N=IO5條件下的高周疲勞強度≤1200MPa，比傳統的低溫鈦合金具有更加優異的強塑性匹配，滿足高性能火箭、太空飛行器及宇宙飛船中低溫部件的相關要求。
[0024]實施例1
[0025]本實施例鈦鋁鈮合金的名義成分為T1-2.5Al-15Nb,即按重量百分比計為A12.5%，Nbl5%，餘量為鈦及不可避免的雜質。
[0026]本實施例鈦鋁鈮合金的製備方法為:按名義成分T1-2.5Al-15Nb配料，原材料採用T1-50Nb中間合金、鋁豆和零級海綿鈦。原材料混合均勻後壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經扒皮並切除冒口和尾端後，然後在自由鍛設備上於1200°C進行兩火次開坯鐓拔，火次變形量為65%，最後在自由鍛設備上於950°C進行兩火次拔長鍛造，火次變形量為60%，最終得到規格為Oni5mm的鈦鋁鈮合金棒材。
[0027]本實施例鈦鋁鈮合金棒材經750°C /Ih熱處理後的性能為:298K室溫條件下的力學性能:Rm=735MPa，Rp0 2=655MPa, A50=19.5% ;77K 低溫條件下的力學性能:Rm=1380MPa，Rp0.2=1250MPa,A50=20% ；77K低溫條件下的高周疲勞性能:循環次數N=IO5時，高周疲勞強度=1250MPa。
[0028]實施例2
[0029]本實施例鈦鋁鈮合金的名義成分為T1-2Al_16Nb，即按重量百分比計為A12%，Nbl6%,餘量為鈦及不可避免的雜質。
[0030]本實施例鈦鋁鈮合金的製備方法為:按名義成分T1-2Al_16Nb配料，原材料採用T1-50Nb中間合金、鋁豆和零級海綿鈦。原材料混合均勻後壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經扒皮並切除冒口和尾端後，然後在自由鍛設備上於1250°C進行兩火次開坯鐓拔，火次變形量為60%，最後在自由鍛設備上於980°C進行兩火次拔長鍛造，火次變形量為70%，最終得到規格為0n05mm的鈦鋁鈮合金棒材。
[0031]本實施例鈦鋁鈮合金棒材經750°C /Ih熱處理後的性能為:298K室溫條件下的力學性能:Rm=710MPa，Rp0.2=625MPa, A50= 18% ;77K 低溫條件下的力學性能:Rm=1370MPa，Rp0.2=1230MPa,A50=20% ；77K低溫條件下的高周疲勞性能:循環次數N=IO5時，高周疲勞強度=1220MPa。
[0032]實施例3
[0033]本實施例鈦鋁鈮合金的名義成分為T1-3Al_14Nb，即按重量百分比計為A13%，Nbl4%,餘量為鈦及不可避免的雜質。
[0034]本實施例鈦鋁鈮合金的製備方法為:按名義成分T1-3Al_14Nb配料，原材料採用T1-50Nb中間合金、鋁豆和零級海綿鈦。原材料混合均勻後壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經扒皮並切除冒口和尾端後，然後在自由鍛設備上於1150°C進行兩火次開坯鐓拔，火次變形量為63%，最後在自由鍛設備上於900°C進行兩火次拔長鍛造，火次變形量為68%，最終得到規格為CDlOOmm的鈦鋁鈮合金棒材。
[0035]本實施例鈦鋁鈮合金棒材經750°C /Ih熱處理後的性能為:298K室溫條件下的力學性能:Rm=750MPa，Rp0 2=695MPa, A50=16.5% ;77K 低溫條件下的力學性能:Rm=1380MPa，Rp0.2=1250MPa,A50=18% ；77K低溫條件下的高周疲勞性能:循環次數N=IO5時，高周疲勞強度=1200MPa。 [0036]實施例4
[0037]本實施例鈦鋁鈮合金的名義成分為T1-3Al_12Nb，即按重量百分比計為A13%，Nbl2%,餘量為鈦及不可避免的雜質。
[0038]本實施例鈦鋁鈮合金的製備方法為:按名義成分T1-3Al_12Nb配料，原材料採用T1-45Nb中間合金、鋁豆和零級海綿鈦。原材料混合均勻後壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經扒皮並切除冒口和尾端後，然後在自由鍛設備上於1150°C進行兩火次開坯鐓拔，火次變形量為60%，最後在自由鍛設備上於850°C進行兩火次拔長鍛造，火次變形量為65%，最終得到規格為CDlOOmm的鈦鋁鈮合金棒材。
[0039]本實施例鈦鋁鈮合金棒材經750°C /Ih熱處理後的性能為:298K室溫條件下的力學性能:Rm=775MPa，Rp0.2=635MPa, A50=16.5% ;77K 低溫條件下的力學性能:Rm=1300MPa，Rp0.2=1245MPa,A50=20% ；77K低溫條件下的高周疲勞性能:循環次數N=IO5時，高周疲勞強度=1250MPa。
[0040]實施例5
[0041]本實施例鈦鋁鈮合金的名義成分為T1-3.5Al_12.5Nb，即按重量百分比計為A13.5%，Nb 12.5%，餘量為鈦及不可避免的雜質。
[0042]本實施例鈦鋁鈮合金的製備方法為:按名義成分T1-3.5A1-12.5Nb配料，原材料採用T1-50Nb中間合金、鋁豆和零級海綿鈦。原材料混合均勻後壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經扒皮並切除冒口和尾端後，然後在自由鍛設備上於1150°C進行三火次開坯鐓拔，火次變形量為68%，最後在自由鍛設備上於900°C進行三火次拔長鍛造，火次變形量為68%，最終得到規格為0)95mm的鈦鋁鈮合金棒材。
[0043]本實施例鈦鋁鈮合金棒材經750°C /Ih熱處理後的性能為:298K室溫條件下的力學性能:Rm=780MPa，Rp0.2=655MPa, A50= 17% ;77K 低溫條件下的力學性能:Rm=1310MPa，Rp0.2=1210MPa,A50=22% ；77K低溫條件下的高周疲勞性能:循環次數N=IO5時，高周疲勞強度=1260MPa。
[0044]實施例6[0045]本實施例鈦鋁鈮合金的名義成分為T1-3.5A1-13.5Nb,即按重量百分比計為A13.5%，Nb 13.5%，餘量為鈦及不可避免的雜質。
[0046]本實施例鈦鋁鈮合金的製備方法為:按名義成分T1-3.5A1-13.5Nb配料，原材料採用T1-50Nb中間合金、鋁豆和零級海綿鈦。原材料混合均勻後壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經扒皮並切除冒口和尾端後，然後在自由鍛設備上於1200°C進行三火次開坯鐓拔，火次變形量為60%，最後在自由鍛設備上於950°C進行兩火次拔長鍛造，火次變形量為70%，最終得到規格為Oni5mm的鈦鋁鈮合金棒材。
[0047]本實施例鈦鋁鈮合金棒材經750°C /Ih熱處理後的性能為:298K室溫條件下的力學性能:Rm=755MPa，Rp0.2=695MPa, A50= 17% ;77K 低溫條件下的力學性能:Rm=1395MPa，Rp0.2=1280MPa,A50=18% ；77K低溫條件下的高周疲勞性能:循環次數N=IO5時，高周疲勞強度=1300MPa。
[0048]實施例1
[0049]本實施例鈦鋁鈮合金的名義成分為T1-3.5Al-15Nb,即按重量百分比計為A13.5%，Nbl5%，餘量為鈦及不可避免的雜質。
[0050]本實施例鈦鋁鈮合金的製備方法為:按名義成分T1-3.5Al-15Nb配料，原材料採用T1-50Nb中間合金、鋁豆和零級海綿鈦。原材料混合均勻後壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經扒皮並切除冒口和尾端後，然後在自由鍛設備上於1180°C進行兩火次開坯鐓拔，火次變形量為66%，最後在自由鍛設備上於920°C進行三火次拔長鍛造，火次變形量為60%，最終得到規格為0)90mm的鈦鋁鈮合金棒材。
[0051]本實施例鈦鋁鈮合金棒材經750°C /Ih熱處理後的性能為:298K室溫條件下的力學性能:Rm=790MPa，Rp`0.2=690MPa, A50= 16% ;77K 低溫條件下的力學性能:Rm=1365MPa，Rp0.2=1255MPa,A50=20% ；77K低溫條件下的高周疲勞性能:循環次數N=IO5時，高周疲勞強度=1230MPa。
[0052]實施例8
[0053]本實施例鈦鋁鈮合金的名義成分為T1-2A1_14.5Nb,即按重量百分比計為A12%，Nb 14.5%，餘量為鈦及不可避免的雜質。
[0054]本實施例鈦鋁鈮合金的製備方法為:按名義成分T1-2A1_14.5Nb配料，原材料採用T1-55Nb中間合金、鋁豆和零級海綿鈦。原材料混合均勻後壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經扒皮並切除冒口和尾端後，然後在自由鍛設備上於1200°C進行兩火次開坯鐓拔，火次變形量為60%，最後在自由鍛設備上於950°C進行兩火次拔長鍛造，火次變形量為70%，最終得到規格為CDlOOmm的鈦鋁鈮合金棒材。
[0055]本實施例鈦鋁鈮合金棒材經750°C /Ih熱處理後的性能為:298K室溫條件下的力學性能:Rm=730MPa，Rp0.2=625MPa, A50=20% ;77K 低溫條件下的力學性能:Rm=1310MPa，Rp0.2=1200MPa,A50=19.5% ；77K低溫條件下的高周疲勞性能:循環次數N=IO5時，高周疲勞強度=1280MPa。
[0056]以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制。凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A12.0%~3.5%，Nb 12%~16%，餘量為Ti和不可避免的雜質；所述低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金是指該合金在溫度為77K條件下的力學性能滿足:Rm=1300MPa~1400MPa，Rp0.2≥1200MPa,A50≥18%，並且該合金在溫度為77K，循環次數N=IO5條件下的高周疲勞強度≥1200MPa。
2.根據權利要求1所述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A12.5%，Nbl5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
3.根據權利要求1所述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A12%，Nbl6%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
4.根據權利要求1所述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13%，Nbl4%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
5.根據權利要求1所述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13%，Nbl2%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
6.根據權利要求1所述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13.5%，Nb 12.5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
7.根據權利要求1所述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13.5%，Nb 13.5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
8.根據權利要求1所述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A13.5%，Nbl5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
9.根據權利要求1所述的一種低溫高強耐疲勞鈦鋁鈮合金，其特徵在於，由以下質量百分比的成分組成:A12%，Nb 14.5%，餘量為Ti和不可避免的雜質。
【文檔編號】C22C14/00GK103614590SQ201310681315
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】杜宇, 葛鵬, 楊海瑛, 劉偉, 洪權, 毛小南 申請人:西北有色金屬研究院