具有低弹性模量和高强度的β型钛合金的制作方法
【专利摘要】提供了一种具有低弹性模量和高强度的β型钛合金。该钛合金包含6重量%～13重量%的Mo、0.1重量%～3.9重量%的Fe、余量的Ti和不可避免的杂质，并可选择地包含0.1重量%～3.9重量%的Al。本发明所述的钛合金以低成本具有大于或等于1300MPa的高拉伸强度和小于或等于95GPa的低弹性模量。
【专利说明】具有低弹性模量和高强度的β型钛合金
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有低弹性模量和高强度的β型钛合金，更具体而言，涉及一种具有低弹性模量和高强度并具有低成本下的高性能的β型钛合金。
【背景技术】
[0002]钛具有高比强度(强度/重量)和良好的耐腐蚀性，并在各工业领域作为基材具有高适用性。因此，钛被称为梦幻的先进材料，并且是预期将用于未来应用的先进金属材料之一。由于钛的各种良好性质，因此已在生物医药、船舶、航空、运动和休闲领域中进行了广泛的研究。
[0003]基于在室温构成金属结构的相的结晶结构，钛合金通常分为α型(密排六方晶体:hcp)、β型(体心立方:bcc)和α+β型。通过添加少量例如工业用铝或钛获得的合金为α型。已知作为高强度合金并用于飞机中的T1-6A1_4V合金为α+β型，而β型为包含较多量用于稳定β相的合金兀素的合金。
[0004]当与钢材比较时，相对于在具有相同强度的状态下的钢材，钛合金具有约56%的密度和约50%的剪切弹性模量。因此，相对于钢材，具有相同性能的弹簧可以具有约28%的理论重量，或可以实现约72%的减重。
[0005]当使用T1-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr ( β -C)合金制造螺旋弹簧时，该弹簧可用于839MPa的最大剪切应力。另外，螺旋弹簧的重量仅为具有相同性能的使用钢材制造的螺旋弹簧的47%，理所当然地可获得轻质的效果。
[0006]另外，由于钛合金具有高阻尼容量和固有频率，因此在发动机高速旋转过程中造成问题的喘振(sufging)现象可以得到避免，并且可以实现寿命的延长。常用作弹簧的T1-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zf合金的固有频率为870Hz，优于由普通钢材制造的弹簧的483Hz的固有频率。
[0007]另外，由于钛合金弹簧材料的剪切弹性模量很小，为普通弹簧钢的约50%，因此弹簧的卷绕数可以降低。另外，通过降低阀簧的接触高度，可以推动发动机的小型化和轻质化。此外，由于如上所述的钛合金的各种性质，当将钛合金弹簧用于汽车中的悬架时，可以获得良好的减震作用，从而改善驾驶舒适度。
[0008]但是，当考虑到汽车重量时，用于悬架弹簧的钛合金的拉伸强度应至少为1300MPa以上。为充分获得如上所述的钛的效果，钛合金的弹性模量优选小于或等于95GPa。
[0009]同时，为制造β型钛合金，需要包含相当大量的β稳定化元素。由于β稳定化元素通常很昂贵，因此其使用限于上述需要具有良好物理性质的特殊零部件。
[0010]尽管上述钛合金具有良好的性质，但由于汽车中使用低价零部件，因而也不会用所述钛合金替代用于制造那些零部件的普通钢材。
【发明内容】
[0011]技术问题[0012]本发明的目的是克服上述缺陷，并以低成本提供一种钛合金，所述钛合金具有良好的物理性质，如大于或等于1300MPa的高拉伸强度和小于或等于95GPa的低弹性模量。
[0013]技术方案
[0014]为克服上述缺陷，本发明中提供一种β型钛合金，所述钛合金具有低弹性模量和高强度，包含6重量％~13重量％Μο、0.1重量％~3.9重量％Fe、余量的钛和不可避免的杂质。该钛合金具有大于或等于1300MPa的拉伸强度和小于或等于95GPa的弹性模量。
[0015]另外，根据本发明的一个方面，该钛合金可以还包含0.1重量％~3.9重量％的Al。即，在本发明中提供一种β型钛合金，所述钛合金具有低弹性模量和高强度，包含6重量~13重量％Μο、0.1重量％~3.9重量％Fe、0.1重量％~3.9重量％A1、余量的钛和不可避免的杂质，其中，所述钛合金具有大于或等于1300MPa的拉伸强度和小于或等于95GPa的弹性模量。Al的添加可以提高加工性、成型性、铸造性等，并可以提供可应用各种热处理技术以获得强化效果的优点。[0016]另外，根据本发明的一个方面，在钛合金中可以额外包含0.005重量％~0.5重
量％的B。
[0017]另外，根据本发明的一个方面，钛合金的延伸百分比可以大于或等于6%。
[0018]另外，根据本发明的一个方面，钛合金的拉伸强度可以大于或等于1400MPa。
[0019]另外，根据本发明的一个方面，钛合金的显微结构可以包含微细地分散在β基体中的ω相颗粒。ω相可以通过使用热处理技术除去或生成，以获得所需强度、延展性和弹
性模量。
[0020]有利效果
[0021]根据本发明的钛合金具有大于或等于1300MPa的拉伸强度和小于或等于95GPa的弹性模量，并可以应用于各种需要低弹性模量和高强度的领域。
[0022]另外，由于根据本发明，贵合金元素在钛合金中的使用被最小化，因此合金的制造成本可大幅降低。
[0023]另外，当通过锻造和轧制来制造钛合金时，可以制造拉伸强度大于或等于1300MPa、弹性模量小于或等于95GPa并且延伸百分比大于或等于约6%的棒材、矩形方材和板材，而无需进行如溶液热处理或老化等热处理。因此，可以以低成本制造运输机动车用弹簧和各种领域中具有高强度和低弹性模量的零部件。特别是，当将钛合金用于弹簧材料时，与使用钢材制造的弹簧相比可以实现重量减轻至50%~60%。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1~5是关于分别在本发明的实施例1~5中制造的热锻材料的显微结构的照片，其通过光学显微镜拍摄。
[0025]图6和7是关于本发明的实施例2和3中制造的轧制棒材的显微结构的照片，其通过光学显微镜拍摄。
[0026]图8和9是关于分别在实施例2和3中制造的轧制棒材的显微结构的照片，其通过暗场图像(DFI)透射电子显微镜拍摄。
【具体实施方式】[0027]下面将详细描述本发明的优选实施方式，但本发明并不限于以下实施方式。
[0028]首先，根据本发明的β型钛合金中的各元素的组成范围限定如下。
[0029]Mo: 6重量％~13重量％
[0030]Mo是β相的稳定化元素，并具有降低弹性模量和提高强度的作用。由于Mo是昂贵的，因此Mo的量被优化，以在获得机械性质的同时降低成本。Mo的优选量为6重量％~
13重量％。
[0031 ] Fe:0.1 重量 ％ ~3.9 重量 ％
[0032]Fe是β相的稳定化元素，但可提高抗变形性。因此，在现有技术中都是尽可能少地添加Fe。在本发明中，与其他β稳定化元素相比，使用了相对较大量的便宜的Fe。当Fe的量小于0.1 重量％时，β稳定化作用不充分，而当Fe的量超过3.9重量％时，抗变形性会过度从而使加工性劣化。因此，Fe的优选量小于或等于3.9重量％。
[0033]同时，通过稳定β相而具有低弹性模量的β型钛合金的制造指数可以由[方程
I]中的Mo当量说明。以Fe计算时，优选的Mo当量为约7.0~20.0。
[0034][方程I]
[0035]Mo 当量=[Mo] +1/5 [Ta] +1/3.6 [Nb] +1/2.5 [W] +1/1.5 [V] +1.25 [Cr] +1.25 [Ni] +1.7 [Mn] +1.7 [Co] +2.5 [Fe]
[0036]Al:0.1 重量 ％ ~3.9 重量 ％
[0037]Al是添加以提高根据本发明的β型钛合金的强度的元素。Al抑制了 ω相的沉积，这在热处理过程中通过脆化而提高了钛合金的硬度，提高了强度和延展性，并提高了加工性和铸造性。在本发明中Al可选择性添加。当Al的量超过3.9重量％时，硬度会被过度提高，并且延伸率会降低，从而降低加工性。因此，添加的Al的量优选小于或等于3.9重量％。
[0038]B: 0.005 重量 ％ ~0.5 重量 ％
[0039]B是在进行溶液浇铸时抑制巨大凝固结构生长的元素。当添加少于0.005重量％的B时，凝固结构的扩大会得不到有效抑制。当B的量超过0.5重量％时，将不会实现铸造结构的进一步小型化。因此，B的优选量为0.005重量％~0.5wt%。
[0040]不可避免的杂质
[0041]不可避免的杂质为可能非故意地添加于钛合金的原料中或在加工过程中非故意地添加的成分。特别是，氧可使钛合金的形变能力劣化，可以成为冷加工过程中产生裂纹的原因，并可以成为提高抗变形性的原因。因此，不可避免的杂质的量需要保持为小于或等于
0.3重量％，并优选需要小于或等于0.18重量％。另外，由于氢使钛合金的延展性和韧性劣化，因此氢的量优选尽可能少。氧的量更优选小于或等于0.03重量％，并且最优选小于或等于0.01重量％。碳会显著地降低钛合金的形变能力，因此需要以尽可能少的量包含于其中。优选的是，碳的量小于或等于0.05重量％，更优选的是，碳的量少于或等于0.01重量％。另外，氮也会显著地降低钛合金的形变能力，因此需要以尽可能少的量包含于其中。优选的是，氮的量小于或等于0.02重量％，更优选的是，氮的量少于或等于0.01重量％。
[0042]另外，在根据本发明的钛合金的显微结构中，可以将α相混入β相基体中，并且可以将微细分散的ω相颗粒包含在β相基体中。
[0043]通过使用根据本发明的钛合金加工棒材、矩形方材和板材的方法包括:(a)制备包含上述成分的钛合金液态金属；(b)铸造由此制备的钛合金以制造铸锭；(c)在800°C~1200°C热锻铸锭；和(d)在25°C~650°C轧制所锻造的钛合金。
[0044]热锻和轧制的温度优选保持在以上限定的范围内，以防止在加工过程中产生裂纹并获得充分的压缩率。
[0045][实施例]
[0046]通过使用感应凝壳熔炼(ISM)制造具有如下表1中所示的组成的钛合金。所有合金中如氧(O)、氮(N)、碳(C)和氢⑶等杂质的量小于0.5重量％。
[0047]表1
【权利要求】
1.一种β型钛合金，所述钛合金具有低弹性模量和高强度，包含6重量％~13重量％的Μο、0.1重量％~3.9重量％的Fe、余量的Ti和不可避免的杂质， 所述钛合金具有大于或等于1300MPa的拉伸强度和小于或等于95GPa的弹性模量。
2.如权利要求1所述的钛合金，所述钛合金还包含0.1重量％~3.9重量％的Al。
3.如权利要求1所述的钛合金，其中，所述β型钛合金的显微结构具有平均粒径为IOOnm以下的ω相的分散的形状。
4.如权利要求1所述的钛合金，其中，由以下[方程I]定义的Mo当量为7.0~20.0, [方程I]
Mo 当量= [Μο]+1/5 [Ta]+1/3.6 [Nb]+1/2.5 [W]+1/1.5 [V]+1.25[Cr]+l.25 [Ni]+1.7 [Mn]+l.7[Co]+2.5[Fe]。
5.如权利要求1~4中任一项所述的钛合金，其中，所述钛合金的延伸百分比大于或等于6%。
6.如权利要求1~4中任一项所述的钛合金，其中，所述钛合金的拉伸强度大于或等于HOOMPa0
7.—种棒材,所述棒材通过使用如权利要求1~4中任一项所述的钛合金而制造。
8.一种板材,所述板材通过使用如权利要求1~4中任一项所述的钛合金而制造。
9.一种矩形方材，所述矩形方材通过使用如权利要求1~4中任一项所述的钛合金而制造。
10.一种弹簧材料，所述弹簧材料通过使用如权利要求1~4中任一项所述的钛合金而制造。
【文档编号】C22C14/00GK103649350SQ201280004071
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年8月30日 优先权日:2012年5月30日
【发明者】李东根, 徐廷和, 李龙泰 申请人:韩国机械研究院