一種低成本易生產β鈦合金及其製造方法

2023-12-10 10:29:37

專利名稱：：一種低成本易生產β鈦合金及其製造方法
技術領域：
：本發明創造涉及一種P鈦合金，特別是一種比現有P鈦合金更廉價、易於工業化生產、且力學性能能基本保持同等水平的P鈦合金及其製造方法。
背景技術：
：鈦合金體系中，P鈦合金具有最高的比強度(強度/密度)和良好的冷加工性能，最早以軍工應用為目的。而目前工業P鈦合金越來越廣泛應用於民用領域，例如鈦眼鏡架、微型移動電視、導航儀、手機、高爾夫球桿、漁具以及最近幾年的人體植入材料等。然而為了穩定P相在P型鈦合金中加入了大量Mo、Nb、Ta、V等難熔高密度元素，導致P鈦合金密度大、生產出無金屬夾雜的合格材料難，由於加入了價格昂貴的貴金屬致使P鈦合金成本居高不下。因此，P鈦合金即使在軍工領域也應用有限，而民用領域應用就更少了。為了使P鈦合金更廣泛應用於民用領域迫切需要開發低成本、易產業化、性能不降低的3鈦合金。表1列出了從P鈦合金髮明到目前各種類型P鈦合金的成分和特徵。No.l13合金是傳統的P鈦合金，它們有的已經商品化，有的已經被淘汰，即使商品化的合金應用也不大。從表中可以看出，這類合金大都加入了難熔、高密度、高價格的Mo、Nb、Ta金屬，而工業生產鈦合金方法是真空自耗電弧熔煉法，一旦出現上述金屬夾雜，即使重熔十次也不能完全消除，因此它們的熔煉是個技術難關，這些合金的產品金屬夾雜是經常產生的。各個合金的其它優缺點就不一一評述了，但值得一提的是，其中No.9合金是美國近期開發的低成本P鈦合金，因為它加入了4.5%的Fe(鐵)，使得可以釆用Mo-Fe中間合金，從而降低了合金成本。但該合金存在的問題是，Mo夾雜還可能產生，更重要的是由於含有4.5%的Fe,合金出現P斑的可能性很大，在航空航天應用是絕對不允許出現P斑的。如Ti-10V-2Fe-3Al合金出現富Fe的(3斑，使得生產者在生產過程中不得不花大量功夫來解決該問題。表中No.14~16合金是含有12%以上V的P鈦合金，它們的優點是不含難熔高密度金屬，避免了金屬夾雜的產生，而且降低了合金密度。但是由於大量V的加入使合金的抗氧化性下降，很容易受到氧氣的玷汙，致使氧化皮疏鬆，在熱加工和熱處理過程中金屬損耗大，成品的表面質量和性能受影響，其中No.14合金尤為嚴重，儘管它有良好的冷加工性和低的合金密度，但它成本很高，因為它釆用純金屬V或高V-Al加入。表中No.1727合金是近期開發的用於人體植入材料的鈦合金，由於不能加入V、Al等有害元素，同時需要具有與人骨相近的楊氏彈性模量，而加入了大量Nb、Ta、Hf、Zr等金屬，其中Nb、Ta、Hf是難熔、高密度、高價格金屬，顯然，第一個問題是用目前工業生產手段，難以使它們合金化，目前多處於實驗室階段，解決它們合金化問題有待於新設備、新技術和新工藝的突破。此外，由於Nb、Ta是(3相低穩定元素，表中合金的加入量不足以穩定p組織，因此它們的固溶處理必須釆用冰水冷卻，使熱處理工藝複雜化。綜上所述，現有的p鈦合金各自存在著不同的缺點，人們期待著性能優良、成本低廉、生產簡便的p鈦合金的誕生。表ie鈦合金表tableseeoriginaldocumentpage5
發明內容為克服現有P鈦合金存在的上述問題，本發明創造的目的是提供成分簡單、成本低、熔煉及熱加工和熱處理簡便、力學性能好的P鈦合金。本發明創造解決其技術問題所釆用的技術方案一種低成本易生產13鈦合金，在Ti中加入由V、Cr、Al、Zr中的至少二種元素組成的合金，其重量百分比為V=6~9%、Cr=6~13%、Al=2.5~4.5%、Zr=4~12%,餘量為Ti及不可避免的雜質元素，其常規力學性能為ab=900~100MPa,cj)=40-65%,5=8~20%。一種低成本易生產P鈦合金的製造方法，釆用Al熱法生產的V-Cr-Al中間合金破碎成粒1~5mm與海綿Ti按鈦合金的成分含量進行充分混合後壓成自耗電極，或者釆用金屬Cr、海綿Zr與海綿Ti按鈦合金的成分含量進行充分混合後壓成自耗電極，在真空自耗電弧爐中經二至三次熔煉成鑄錠，按常規P鈦合金鍛造和軋制工藝製成鈦合金材，對鈦合金材進行固溶處理。本發明創造與現有技術相比有如下優點和效果1、經研究發現在Ti中加入9%以下的V,並有Cr、Al存在的情況下其抗氧化性大大增強，氧化層緻密，在熱加工中不易脫落，在熱處理後表面光滑、成品精整量少、表面質量良好。2、由於不含難熔、高密度元素，鑄錠熔煉十分簡易，不產生夾雜；V的熔點為1905°C,密度為6.1g/cm3,Cr的熔點為1875。C,密度為7.19g/cm3,A1的熔點為66(TC,密度為2.7g/cm3,可以看出它們的熔點、密度都遠低於Mo(熔點為2615。C,密度為10.2g/cm3)、Nb(熔點為2468°C,密度為7.0g/cm3)6和Ta(熔點為2998°C，密度為16.6g/cm3);而合金元素用常規Al熱法生產的V-Cr-Al中間合金加入，其熔點約1650-1750°C,密度約6~7g/cm3,與Ti(熔點為1668°C,密度為4.5g/cm3)十分接近，從而使合金鑄錠熔煉十分方便，完全排除了金屬夾雜產生的可能，同時使合金密度保持在相對低的水平。3、由於所選用的元素除V外成本都比較低，而用Al熱法生產的含V中間合金取代純V使合金成本顯著下降，因此，本發明的P型鈦合金具有低成本易產業化的優勢。4、此外本合金由於加入足夠量的V、Cr等l3穩定化元素，因此固溶處理無需水冷卻即能保持(3相組織，熱處理工藝簡單，方便應用。5、合金中如不加入V、Al,則可成為較好的人體植入材料，可以替代目前多數的高Nb、Ta、Hf合金。6、優化工藝生產的合金冷加工總變形量可達92%，具有優良的冷加工性。具體實施例方式下面結合具體實施方案對本發明一種低成本易生產P鈦合金及其製造方法簡述如下實施例1:釆用Al熱法生產的V-Cr-Al中間合金破碎成粒1~5mm，其配入成分為6%V+10%Cr+3°/Al,與海綿Ti混合後壓製成自耗電極，在真空電弧中經3次熔煉成鑄錠，經鍛造軋製成①20隨棒材，並經固溶處理後其力學性能為ob=910MPa,c]j=61%,5=20%,冷加工總變形量達92%。實施例2:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-Al,中間合金配比為7%V+9%Cr+3.5%A1,其力學性能為ob=920MPa，cp=60%,5=18%。實施例3:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-A1,中間合金配比為8%V+8%Cr+4%Al，其性能為ob=930MPa，cjj=50%,5=15%。實施例4:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-Al，中間合金配比為9%V+6%Cr+4.5%A1，其力學性倉g為ob=910MPa，cjj=55%,5=16%。實施例5:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-A1，中間合金配比為6%V+10%Cr+2.5%A1,其力學性能為cib=1000MPa,cjj=45%,5=10°/o。實施例6:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-Al，中間合金配比為7%V+8%Cr+4%Al，其力學性能為ob=960MPa，4=58%,5=12%。實施例7:與例l工藝相同，中間合金為V-Cr-Al,中間合金配比為9%V+7%Cr+4%Al,其力學性能為ob=920MPa,4)=62%,5=18%。時效後力學性能為ob=1300MPa,4)=15%,5=5%。實施例8:與例l工藝相同，中間合金為V-Cr-Al,中間合金配比為7°/。V+8.5%Cr+3%Al，其力學性能為ob=930MPa,c];=60°/。，5=18%。時效後力學性能為ob=1250MPa,少=16%,5=6%。實施例9:釆用粒度為1-8mm的海綿Zr、金屬Ci"與海綿Ti充分混合後壓成自耗電極，其配比為10%Cr+12%Zr+Ti餘量，經真空自耗電弧爐三次熔煉，按常規P鈦合金鍛造和軋制工藝製成O20mm棒材，經固溶處理後，其力學性能為ob=950MPa，o0.2=880MPa，5=14%,c|j=45%，彈性模量為88GPa。實施例10:釆用實施例9相同工藝過程，合金配比為9%Cr+12°/。Zr+Ti餘量，固溶處理後其力學性能為ob=930MPa,oQ.2=840MPa,5=15%,4=50%，彈性模量為88GPa。實施例11:採用實施例9相同工藝過程，合金配比為餘量，固溶處理後其力學性能為ob=920MPa，5=16%,cj)=55%,彈性模量為88GPa。實施例12:釆用實施例9相同工藝過程，合金配比為餘量，固溶處理後其力學性能為ob=910MPa,5=18%，cJj=55%，彈性模量為88GPa。實施例13:釆用實施例9相同工藝過程，合金配比為12%Cr+4°/。Zr+Ti餘量，固溶處理後其力學性能為ob=950MPa,o。.2=880MPa,5=16%，cJj=50%,彈性模量為88GPa。實施例14:釆用實施例9相同工藝過程，合金配比為8%Cr+8%Zr+Ti餘nCr+ll%Zr+Too.2=820MPa，8%Cr+ll%Zr+To0.2=820MPa,9量，固溶處理後其力學性能為ob=920MPa,o。.2=840MPa，5=17%，cj)=55%,彈性模量為88GPa。權利要求1、一種低成本易生產β鈦合金，其特徵是在Ti中加入由V、Cr、Al、Zr中的至少二種元素組成的合金，其重量百分比為V＝69％、Cr＝6～12％、Al＝2.5～4.5％、Zr＝4～12％，餘量為Ti及不可避免的雜質元素；其力學性能為σb＝900～1000MPa，φ＝40～65％，δ＝8～20％。2、如權刑要求1所述的一種低成本易生產P鈦合金的製造方法，其特徵是釆用Al熱法生產的V-Cr-Al中間合金破碎成粒1~5mm與海綿Ti按鈥合金的成分含量進行充分混合後壓成自耗電極，或者釆用金屬Cr、海綿Zr與海綿Ti按鈦合金的成分含量進行充分混合後壓成自耗電極，在真空自耗電弧爐中經二至三次熔煉成鑄錠，按常規P鈦合金鍛造和軋制工藝製成鈦合金材，對鈦合金材進行固溶處理。全文摘要本發明創造公開了一種低成本易生產β鈦合金及其製造方法，在Ti中加入由V、Cr、Al、Zr中的至少二種元素組成的合金，其重量百分比為V＝6～9％、Cr＝6～12％、Al＝2.5～4.5％、Zr＝4～12％，餘量為Ti及不可避免的雜質元素；其力學性能為σb＝900～1000MPa，φ＝40～65％，δ＝8～20％。採用Al熱法生產的V-Cr-Al中間合金破碎成粒1～5mm或者金屬Cr、海綿Zr與海綿Ti混合後壓成自耗電極，在真空自耗電弧爐中經二至三次熔煉成鑄錠，按常規工藝製成鈦合金材，對鈦合金材進行固溶處理。本發明由於不含貴重金屬元素，不僅更易於熔煉和熱加工，而且大大降低成本，在民用領域更易推廣。文檔編號C22C14/00GK101624668SQ20091010150公開日2010年1月13日申請日期2009年8月5日優先權日2009年8月5日發明者方平偉,胡明晶,陳錦超申請人:浙江民泰鈦合金有限公司