专利名称：含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金的制作方法
技术领域：
本发明属于钛合金材料技术领域，特别涉及到一种含铝和矾且具有高强度和铸造 流动性能的低密度钛合金。
背景技术：
钛合金具有较高的强度、较低的密度以及耐腐蚀性能，已广泛应用于航空、航天、 航海、化工和体育休闲领域。一直以来，人们希望能得到更高强度、更高铸造性能的低密度 钛合金，从而进一步扩大钛合金的应用。低密度钛合金具有巨大的市场潜力，如用低密度钛合金制造的高尔夫球杆头可以 降低现用钛制球杆头的重量和增加球杆头的体积，以利于提高高尔夫球的飞行距离和击球 的准确性。低密度钛合金是一种轻型材料，特别适合制作高尔夫球杆头，以减轻高尔夫球杆 头的重量。在减轻高尔夫球杆头重量的前提下，可以增加球杆头的体积或厚度，从而增加球 杆头的强度和刚性，提高球手在击球时的准确性。增加球杆头的强度也就是要增加低密度 钛合金的强度，这里所指的强度包含有屈服强度、抗拉强度和硬度等指标。用于制造高尔夫球杆头的低密度钛合金本研究所已研发多年，如①专利申请号为200710189636. 5申请了一种新型低密度铸造钛合金材料，通过 Al、Mo、V等元素的含量调整，得到Ti-8. 7A1-0. 5Mo-0. 5V，该钛合金材料的构成为(89. 0 91. 0)Ti-(8. 3 9. 0)Al-(0. 3 0. 8)Mo-(0. 3 0. 8)V。该钛合金材料的强度很低。②专利申请号为201010030174.4申请了一种低密度高性能钛合金材料及其制 备方法，得到Ti-9Al-lMo-lV,该钛合金材料的构成为(87. 0 90. 0)Ti-(8. 35 10. 0) Al-(0. 75 1. 5)Mo-(0. 75 1. 5)V。虽然该钛合金材料的强度有所提高，但用在高尔夫球 杆头上仍显强度较低，特别是该钛合金材料的铸造流动性能有待进一步提高。③专利申请号为201010142643. 1申请了一种低密度高铸造性能钛合金材料及 其制备方法，得到Ti-9Al-lMo，该钛合金材料的构成为:Ti :87.0 91.0%、A1 :8. 4 10. 0%、Mo :0. 5 2. 0%、以及总量为0 0. 8%的(V、Nb、Cr)，其余为不可避免杂质。该 钛合金材料的强度较低且铸造流动性能有待进一步提高。④Ti-6A1_4V是一种具有较高强度的钛合金材料，但该钛合金材料的铸造流动性 能较低。铸造流动性能的含义是指钛合金材料经真空熔炼后，熔化的钛液在铸造用模壳、 浇注系统中的流动能力、充型能力，通常以钛液流经标准螺旋型浇道的长度来衡量钛合金 材料的铸造流动性能的优劣。上述专利申请或Ti-6A1-4V的力学性能见下表 除了上述几种低密度钛合金材料外可能还有另外一些未公开的低密度钛合金。但 是，在只含有铝和矾所构成的钛合金中首先具备低密度的重要前提下一如何进一步提高其强度和铸造流动性能的低密度钛合金至今未见报道。围绕含有铝和矾且具有高硬度和铸造流动性能的低密度钛合金以满足高尔夫球 杆头的特殊要求可能存在如下几点问题1)在钛基体中添加Mo、V、Nb等0稳定元素或添加Zr、Sn等中性元素可以提高低 密度钛合金的硬度，但是添加的这些元素由于比重较高，所构成的钛合金其密度就会大大 降低；2)在钛基体中添加适量的铝(A1)虽然能得到低密度钛合金，但铝含量过高会导 致钛合金的塑性下降，甚至出现脆断现象，从而降低钛合金的强度；3)在钛基体中添加适量的矾(V)虽然可以抑制材料中脆性相的析出，提高材料的 强度，但钒含量加入过多会显著降低材料的密度，降低材料的流动性能；同时矾含量过高同 样也会导致钛合金的塑性下降并出现脆断现象，从而降低钛合金的韧性。通过上述几点问题的分析可以看出在钛基体中添加多大量的A1和V以满足高尔 夫球杆头的强度和铸造流动性能已不是简单的配比问题，同样也不是上述三种专利申请和 Ti-6A1-4V经过本领域技术人员不需要创造性的劳动付出就能得到具有高强度和铸造流动 性能低密度钛合金的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低 密度钛合金，该低密度钛合金通过在海绵钛基体中加入适量的纯A1和适量的A1-V中间合 金使其自身具备高强度，尤其在铸造高尔夫球杆头的过程中具有很好的铸造流动性能，并 且符合钛合金的低密度要求，进一步扩大了该钛合金的应用范围。为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案所述的含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金是在重量百分比 (wt% )为86. 0 90. 0的海绵钛(Ti)基体中加入有纯铝(A1)和铝-矾(A1-V)中间合金， A1-V中间合金是以含V量为55 %的A1-V中间合金形式加入，在含V量为55 %的A1-V中间 合金中含A1量> 43%其余为微量不可避免的杂质，故具有高强度和铸造流动性能的低密 度钛合金所含A1的总含量包括所加入的纯A1量和含V量为55%的A1-V中间合金中的含 A1量；按重量百分比称取3. 32 7. 16的纯铝和5. 64 8. 18的含V量为55%的铝-矾中间 合金兑入到86. 0-90. 0的海绵钛中并搅拌均勻成Ti-Al-V混合料，将Ti_Al_V混合料通过 压力机压制成海绵钛电极，然后将海绵钛电极放在真空自耗电极电弧炉或是真空感应炉中 进行真空熔炼得到含A16. 85 9. 5%、含矾3. 1 4. 5%和含钛86. 0 90. 0%的具有高强 度和铸造流动性能的低密度钛合金，所述低密度钛合金的名义含量表达式为(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的情况下，本发明优选的技术 方案是按重量百分比称取5. 57 6. 0的纯铝和6. 73 7. 0的含V量为55%的铝-矾中 间合金兑入到87. 0 88. 0的海绵钛并搅拌均勻成Ti-Al-V混合料，将Ti_Al_V混合料通过 压力机再压制成海绵钛电极，然后将海绵钛电极放在真空自耗电极电弧炉或是真空感应炉 中进行真空熔炼得到含A18. 3 9. 1%、含矾3. 5 3. 9%和含钛87. 0 88. 0%的具有高 强度和铸造流动性能的低密度钛合金，所述低密度钛合金的含优选含量表达式为(87. 0 88. 0)Ti-(8. 3 9. l)Al-(3. 5 3. 9)V。上述两种技术方案中除了采用含V量为55%的铝-矾中间合金外，或是采用含V 量> 55%的铝-矾中间合金，或是采用含￥量< 55%的铝-矾中间合金；当采用含￥量> 55%的铝-矾中间合金或含采用V量< 55%的铝-矾中间合金确定后，根据(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 范围来对应调整纯铝和含V量> 55 %的铝-矾中间合金或含V量< 55 %的铝-矾中间合 金的重量百分比加入量。压制的海绵钛电极放在真空自耗电极电弧炉中进行真空熔炼或放在真空感应炉 中进行真空熔炼的控制过程同现有钛合金的熔炼过程无本质区别，通过真空自耗电极电弧 炉或真空感应炉都可得到上述本发明的具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金。所不同的是本发明是以纯A1和A1-V中间合金的重量配比形式得到熔炼后A1和 V实际真正含量的一种低密度钛合金，A1和V实际真正含量的测量通过其成分的检测而得。通过采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性1、本发明含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金具有较低的密 度、较好的铸造流动性能、较高的强度和硬度，同时延伸率和冲击韧性没有太大变化。2、本发明含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金其力学性能、铸 造性能、密度等的指标如下1)铸造力学性能室温屈服强度彡840MPa，抗拉强度彡910MPa，延伸率彡6. 0%, HRC彡32，冲击韧性彡12J/cm2 ；2)铸造流动性能流动性试样长度> 570mm ；3)材料密度4. 35—4. 41g/cm3。3、本发明含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金由于具有很好 的铸造流动性能，在浇注高尔夫球杆头的成品率几乎达到98%以上，并适合于制备其它承 重结构件。
具体实施例方式几乎所有钛合金中都含有A1，目前普遍认为A1的含量不能超过7%，否则固溶 处理时将得到过饱和固溶体，导致在时效处理或高温使用过程中析出硬脆的有序a 2相 (Ti3Al 相)。本发明是在Ti-Al-V三元合金的基础上，运用正交试验方法而得。在海绵Ti为基 体中加入纯A1、A1-V中间合金，A1可以进一步的降低合金材料的密度和提高合金材料的强 度及铸造流动性能。V的熔点很高，不易溶解，为降低成本，本发明采用含V为55%的A1-V 中间合金形式加入，V可以提高合金材料强度，适量的V在起到固溶强化、不降低合金材料 铸造流动性的同时可以抑制Ti3Al脆性相的析出。当A1含量低于本发明的下限值时其合 金材料的密度降低不明显且强度很低，当A1含量高于本发明的上限值时Ti3Al脆性相析出 过多，导致合金材料的脆性断裂。当V含量较低时合金材料的强度会有所降低，当V含量较 高时会提高合金材料的密度且降低材料的流动性能。此外，A1和V的作用机理还可以理解如下1)A1的添加不仅可以起到固溶强化的作用，还可提高强度，因为A1能够提高氢在a钛中的固溶度，减少因氢化物析出而引起的氢脆；2) A1的熔点很低，约660°C，通过大幅度地提高A1含量使合金材料的熔点降低，从 而增加熔炼浇铸时材料的过热度，提高材料的流动性能；3)凡是使合金材料的结晶温度变宽的合金元素会降低材料的流动性和充型性，A1 的加入虽然扩大了合金的结晶温度间隔，但由于结晶热的影响，A1元素随着含量的增加反 而提高了合金材料的流动性能。本发明的低密度钛合金配比五种实施例及熔炼后的名义含量表达式参见下表
实施例 ^^弓.配比名义含量表达式纯铝 (wt%)含V量为55% 的A1-V中间合 金(包含微量不 可避免的杂质) (wt%)海绵钛 (wt%)实施例13.328.1888.588.5Ti-6.85Al-4.50V实施例25.576.7387.787.7Ti-8.35Al-3.70V实施例36.156.5587.387.3Ti-8.80Al-3.60V实施例46.007.0087.087.0Ti-9.10Al-3.85V实施例57.165.6487.287.2Ti-9.50Al-3.10V上表以纯铝的配比加入量为主来调整A1-V中间合金和海绵钛的加入量。同时由 于“含V量为55%的A1-V中间合金”除了含V量55%是唯一确定外，不同批次购买的“含 V量为55%的A1-V中间合金”中的含A1量和微量不可避免杂质的含量是有区别的，因此 对不同批次“含V量为55%的A1-V中间合金”要作出含量检测，根据检测结果来微量调整 “含V量为55%的A1-V中间合金”的重量百分比加入量，并对纯铝的重量百分比加入量作 出相应的微量调整使之符合本发明(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 的含量构成。根据上表所举实施例的具体配比在混合搅拌均勻的情况下通过压力机可压制成 海绵Ti电极，压制成的海绵Ti电极其熔炼过程已是本领域公知的常识，比如1、将海绵Ti电极放在真空自耗电极电弧炉中进行真空熔炼，熔炼真空度控制在 0-10Pa,弧电压控制在30-36V，弧电流控制在5000-6000A。熔炼后得到的低密度钛合金在 真空自耗电极凝壳炉中并在真空度为0-5Pa、弧电压为30-40V、弧电流为20000-30000A的 条件下进行产品Ti-8A1-4V的浇注，即可得到本发明的含铝和矾且具有高强度和铸造流动 性能的低密度钛合金。2、或将海绵Ti电极放在真空感应炉中进行真空熔炼，在其真空度为0_5Pa、熔炼 功率为200-300KW条件下进行熔炼得到产品Ti-8A1-4V的浇注，也能得到本发明的含铝和 矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金。
通过检测，上述五种实施例熔炼后得到的低密度钛合金其力学性能见下表 本发明的综合力学性能见下表 上述两个力学性能表与背景技术中的力学性能表相比，本发明在具备 (4. 35-4. 41g/cm3低密度的要求同时其强度和铸造流动性能到得到了大幅提高。市场上除了销售有含V量为55 %的铝-矾中间合金外，通常还销售有含V量为 60% (即含V量>55%)的铝-矾中间合金，或是含V量为50% (即含V量<55%)的铝-矾 中间合金，这时应根据本发明(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的含量范围来对应调整纯铝和上述两种铝-矾中间合金 的重量百分比加入量，这样的重量百分比换算不复杂，当含V量>55%时提高纯铝的重量 百分比加入量，当含V量< 55%时降低纯铝的重量百分比加入量。比如实施例1中的含V量为55%的A1-V中间合金替换为含V量为60%的A1-V
中间合金，则本发明的重量百分比构成如下 又如实施例1中替换成含V量为50%的Al-V中间合金，则构成如下 显然本发明使用的Al-V中间合金其V量是可以有调整范围的。本发明通过对Al或V元素在钛合金中的作用机理研究以及不同Al或V的添加量 对合金材料强度、密度或铸造流动性的影响研究，最终确定了合适的Al、V含量范围，成功 消除了 Al含量选择不当产生材料脆性断裂的问题，消除了 V含量选择不当导致的力学性能 降低或铸造流动性差的问题，满足了高尔夫球杆头的强度和铸造流动性能要求。本发明的低密度钛合金比现有低密度钛合金具有更高的强度和更好的铸造流动 性能。
权利要求
一种含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金是在重量百分比(wt％)为86.0～90.0的海绵钛(Ti)基体中加入有纯铝(Al)和铝-矾(Al-V)中间合金，Al-V中间合金是以含V量为55％的Al-V中间合金形式加入，在含V量为55％的Al-V中间合金中含Al量≥43％其余为微量不可避免的杂质，故具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金所含Al的总含量包括所加入的纯Al量和含V量为55％的Al-V中间合金中的含Al量，其特征在于按重量百分比称取3.32～7.16的纯铝和5.64～8.18的含V量为55％的铝-矾中间合金兑入到86.0-90.0的海绵钛中并搅拌均匀成Ti-Al-V混合料，将Ti-Al-V混合料通过压力机压制成海绵钛电极，然后将海绵钛电极放在真空自耗电极电弧炉或是真空感应炉中进行真空熔炼得到含Al6.85～9.5％、含矾3.1～4.5％和含钛86.0～90.0％的具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金，所述低密度钛合金的名义含量表达式为(86.0-90.0)Ti-(6.85-9.5)Al-(3.1-4.5)V。
2.如权利要求1所述的含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金，其特 征在于按重量百分比称取5. 57 6. 0的纯铝和6. 73 7. 0的含V量为55%的铝-矾中 间合金兑入到87. 0 88. 0的海绵钛并搅拌均勻成Ti-Al-V混合料，将Ti_Al_V混合料通过 压力机再压制成海绵钛电极，然后将海绵钛电极放在真空自耗电极电弧炉或是真空感应炉 中进行真空熔炼得到含A18. 3 9. 1%、含矾3. 5 3. 9%和含钛87. 0 88. 0%的具有高 强度和铸造流动性能的低密度钛合金，所述低密度钛合金的含优选含量表达式为(87. 0 88. 0)Ti-(8. 3 9. l)Al-(3. 5 3. 9)V。
3.如权利要求1或2所述的含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金， 其特征在于铝_矾中间合金或是采用含V量> 55%的铝-矾中间合金，或是采用含V量 < 55 %的铝-矾中间合金；当采用含V量> 55 %的铝-矾中间合金或含采用V量< 55 %的 铝-矾中间合金确定后，根据(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的含量范围来对应调整纯铝和含V量> 55%的铝-矾中 间合金或含V量< 55%的铝-矾中间合金的重量百分比加入量。全文摘要
本发明提供一种含铝和矾且具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金，在重量百分比为86.0～90.0的海绵钛(Ti)基体中加入有纯铝(Al)和铝-矾(Al-V)中间合金，称取3.32～7.16的纯铝和5.64～8.18的含V量为55％的铝-矾中间合金兑入到86.0-90.0的海绵钛中并搅拌均匀成Ti-Al-V混合料，将Ti-Al-V混合料通过压力机压制成海绵钛电极，然后将海绵钛电极放在真空自耗电极电弧炉或是真空感应炉中进行真空熔炼得到含Al6.85～9.5％、含矾3.1～4.5％和含钛86.0～90.0％的具有高强度和铸造流动性能的低密度钛合金，浇注高尔夫球杆头成品率达98％并适合制备承重件。
文档编号C22C1/03GK101876014SQ201010180080
公开日2010年11月3日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者周洪强, 姜建伟, 王孟光, 陈志强 申请人:洛阳双瑞精铸钛业有限公司