一种低温高强两相钛合金的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种低温高强两相钛合金，由以下质量百分比的成分组成：Al1.5～3.5%，Nb4.5～6.5%，Mo1.2～3%，余量为钛和不可避免的杂质。本发明钛合金在20K低温条件下的力学性能满足：Rm≥1400MPa，Rp0.2≥1100MPa，A≥20%，比传统的低温钛合金具有更加优异的强塑性匹配，满足高性能火箭、航天器及宇宙飞船中低温部件的相关要求。
【专利说明】一种低温高强两相钛合金
【技术领域】
[0001]本发明属于钛合金【技术领域】，具体涉及一种低温高强两相钛合金。
【背景技术】
[0002]没有一种航天火箭是不使用钛及其合金的，如发动机吊架构件、管路系统、低温液体储存箱、液氢输送泵叶轮和托架等，可以说，钛及其合金始终受到航天和火箭技术装备研制人员的关注。为了满足高性能火箭、航天器及宇宙飞船中低温部件寿命安全服役的要求，使用的钛合金不但应具有高的低温强塑性匹配，还应当具有良好的室温塑性以利于加工。
[0003]综合考虑这些要求，可在液氢温度(20K)长期服役的低温钛合金一般选用室温冷加工性能较好的α型和近α型合金。日本、美国和前苏联等国家对不同类型低温钛合金的安全使用温度都进行了规定，α型钛合金TA7EL1、AT2、0T4、α+β型钛合金TC4ELI均可以在20Κ下安全使用，但ΤΑ7和TC4合金成分必须控制为超低间隙级，因为0、C、N等间隙元素含量的增加会大大降低钛合金低温断裂韧性及塑性，导致合金低温性能对氧含量敏感。现有美系低温钛合金TA7合金由于添加了 Sn元素引发材料脆性增加，TC4合金在室温下冷作硬化率高，两种合金的冷加工性能较差，众所周知均无法采用常规冷加工方式制备管材。俄系α型钛合金ΑΤ2、0Τ4由于不含Al元素，尽管该系列合金在低温具有高的强度和满意的冲击韧性相匹配，且这些合金对氧含量敏感性较小，但是该系合金在20Κ时的塑性较低，仅为 11% ~14%。
[0004]因此，亟需研发一种低温高强两相钛合金，以满足高性能火箭、航天器及宇宙飞船中低温部件的相关要求。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种低温高强两相钛合金。该钛合金在20Κ低温条件下的力学性能满足:Rm≥1400MPa, Rp0.2≥IlOOMPa,A ≥ 20%,比传统的低温钛合金具有更加优异的强塑性匹配，满足高性能火箭、航天器及宇宙飞船中低温部件的相关要求。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:A11.5~3.5%, Nb4.5~6.5%, Mol.2~3%，余量为钛和不可避免的杂质；所述低温高强两相钛合金是指该钛合金在温度为20K条件下的力学性能满足:Rm≥ 1400MPa, Rp0 2≥11OOMPa，A≥ 20%。
[0007]上述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:All.5%，Nb5%, Mol.2%，余量为钛和不可避免的杂质。
[0008]上述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:All.5%，Nb4.5%，Mo3%，余量为钛和不可避免的杂质。
[0009]上述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:A12.5%，Nb5.5%，Mol.7%，余量为钛和不可避免的杂质。[0010]上述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:A13.5%，Nb6.5%，Mo2.5%，余量为钛和不可避免的杂质。
[0011]上述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:All.5%，Nb5%, Mo2.5%，余量为钛和不可避免的杂质。
[0012]上述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:A13.5%，Nb5%, Mo2.1%，余量为钛和不可避免的杂质。
[0013]本发明低温高强钛合金的制备方法为钛合金的常规制备方法:首先根据需要选择合适的原料，按设计成分混合压制电极，再用常规真空自耗电弧炉经二次或三次熔炼得到合金铸锭，然后将合金铸锭扒皮并切去冒口和尾端后，在液压锻造机、锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造和多火次反复镦拔锻造，最后在热轧机、冷轧机等轧制设备上进行多道次轧制得到棒材或板材。
[0014]本发明与现有技术相比具有以下优点和技术效果:
[0015]1、本发明钛合金中成分铝、铌、钥的总含量控制在13%以内，1.5~3.5%的铝含量和1.2~3%的钥含量能够有效保证钛合金具有优良的室温强度，并且铝、铌、钥三种合金元素的合理搭配，能够使钛合金具有298K室温条件下19%以上的优良塑性以及良好的冷热加工性能，适宜于采用常规冷加工方式制造棒材、板材和管材。
[0016]2、本发明钛合金中铌的比例为4.5~6.5%，钥的比例为1.2~3%，该比例是发明人经过大量试验后优化得出的。4.5~6.5%的铌含量和1.2~3%的钥含量能够使钛合金的低温性能比现有低温钛合金具有更加优异的强塑性匹配，其20K低温条件下的塑性高于20%。
[0017]3、本发明钛合金中4`.5%~6.5%的铌含量能够使钛合金对氧含量敏感性变小，在高氧含量下仍可正常使用。
[0018]4、本发明钛合金在温度为20K条件下的力学性能满足:Rm≤1400MPa,Rp0.2≤IIOOMPa, A≤20%,比传统的低温钛合金具有更加优异的强塑性匹配，满足高性能火箭、航天器及宇宙飞船中低温部件的相关要求。
[0019]下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
【具体实施方式】
[0020]本发明低温高强两相钛合金由以下质量百分比的成分组成:All.5~3.5%，Nb4.5~6.5%，Mol.2~3%，余量为钛和不可避免的杂质。该钛合金所涉及的原料包括铝钥合金、钛铌合金、铝豆和海绵钛。具体制备过程中，首先根据需要选择合适的原料，按设计成分混合压制电极，再在真空自耗电弧炉中经二次或三次常规熔炼得到合金铸锭，然后将合金铸锭扒皮并切去冒口和尾端后，在液压锻造机、锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造和多火次反复镦拔锻造，最后在热轧机、冷轧机等轧制设备上进行多道次轧制得到棒材或板材。所述开坯锻造的加热温度为1050°C~1150°C，反复墩拔锻造的加热温度为850°C~980°C，热轧的加热温度为750~900°C，热轧的道次变形量30%~70%，冷轧的道次变形量10%~35%。本发明钛合金在20K低温条件下的力学性能满足:Rm≤1400MPa,Rp0.2≤IIOOMPa, A≤20%,比传统的低温钛合金具有更加优异的强塑性匹配，满足高性能火箭、航天器及宇宙飞船中低温部件的相关要求。[0021]实施例1
[0022]本实施例钛合金的名义成分为T1-1.5Al-5Nb_l.2Mo，即按重量百分比计为All.5%，Nb5%, Mol.2%，余量为钛及不可避免的杂质。
[0023]本实施例钛合金的制备方法为:按名义成分T1-1.5Al-5Nb-l.2Mo配料，原材料采用A1-60MO中间合金、T1-50Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，在自由锻设备上于1100°C进行开坯锻造，然后在温度为900°C，道次变形量为60%的条件下进行反复镦拔锻造，最后在温度为860°C，道次变形量为50%的条件下进行多道次热轧，最终得到厚度为2mm的板材。 [0024]本实施例钛合金板材经900°C /Ih + 800°C /3h热处理后的298K室温性能为:Rm=713MPa, Rp0 2=592MPa, A= 19% ;20K 低温性能为=R111=I457MPa, Rp0 2=1257MPa, A=24%
[0025]实施例2
[0026]本实施例钛合金的名义成分为T1-1.5A1-4.5Nb_3Mo，即按重量百分比计为All.5%，Nb4.5%，Mo3%，余量为钛及不可避免的杂质。
[0027]本实施例钛合金的制备方法为:按名义成分T1-1.5A1-4.5Nb_3Mo配料，原材料采用A1-55MO中间合金、T1-50Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，在自由锻设备上经1080°C开坯锻造，然后在温度为9298K，道次变形量为55%的条件下进行反复镦拔锻造，最后在温度为840°C，道次变形量为60%的条件下进行多道次热轧，最终得到厚度为2mm的板材。
[0028]本实施例钛合金板材经800°C /Ih + 700°C /3h热处理后的298K室温性能为:Rm=603MPa, Rp0 2=496MPa, A=21% ;20K 低温拉伸性能为:1^=1472?^?, Rp0 2=1213MPa, A=26%。
[0029]实施例3
[0030]本实施例钛合金的名义成分为T1-2.5Al-5.5Nb_l.7Mo，即按重量百分比计为A12.5%，Nb5.5%，Mol.7%，余量为钛及不可避免的杂质。
[0031]本实施例钛合金的制备方法为:按名义成分T1-2.5A1-5.5Nb_l.7Mo配料，原材料采用A1-60MO中间合金、T1-46Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，在自由锻设备上经1100°C开坯锻造，然后在温度为880°C，道次变形量为50%的条件下进行反复镦拔锻造，最后在温度为860°C，道次变形量为60%的条件下进行多道次热轧，最终得到厚度为2mm的板材。
[0032]本实施例钛合金板材经850°C /Ih + 750°C /3h热处理后的298K室温性能为:Rm=670MPa, Rp0 2=560MPa, A=24% ;20K 低温拉伸性能为=Rni=HgiMPa, Rp0 2=1286MPa, A=21%。
[0033]实施例4
[0034]本实施例钛合金的名义成分为T1-3.5Al-6.5Nb_2.5Mo，即按重量百分比计为A13.5%，Nb6.5%，Mo2.5%，余量为钛及不可避免的杂质。
[0035]本实施例钛合金的制备方法为:按名义成分T1-3.5A1-6.5Nb_2.5Mo配料，原材料采用A1-60MO中间合金、T1-46Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，在自由锻设备上经1080°C开坯锻造，然后在温度为900°C，道次变形量为50%的条件下进行反复镦拔锻造，最后在温度为850°C，道次变形量为55%的条件下进行多道次热轧，最终得到截面直径为2mm的棒材。
[0036] 本实施例钛合金棒材经900°C /Ih + 810°C /3h热处理后的298K室温性能为:Rm=720MPa, Rp0 2=610MPa, A= 19% ;20K 低温拉伸性能为=Rni=ISlOMPa, Rp0 2=1372MPa, A=20%。
[0037]实施例5
[0038]本实施例钛合金的名义成分为T1-1.5Al-5Nb-2.5Mo，即按重量百分比计为All.5%，Nb5%, Mo2.5%，余量为钛及不可避免的杂质。原料选用为:Α1_60Μο合金、Ti_46Nb合金、铝豆、O级海绵钛。
[0039]本实施例钛合金的制备方法为:按名义成分T1-1.5Al-5Nb-2.5Mo配料，原材料采用A1-60MO中间合金、T1-46Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，在自由锻设备上经1080~1100°C开坯锻造，然后在温度为900°C，道次变形量为50%的条件下进行反复镦拔锻造，之后在温度为840°C，道次变形量为50%的条件下进行多道次热轧，最后在道次变形量35%的条件下进行多道次冷轧，最终得到截面直径为2mm的棒材。
[0040]本实施例钛合金棒材经850°C /Ih + 780°C /3h热处理后的298K室温性能为:Rm=710MPa, Rp0 2=590MPa, A=20% ;20K 低温拉伸性能为:1^=1475?^?, Rp0 2=1186MPa, A=26%。
[0041]实施例6
[0042]本实施例钛合金的名义成分为T1-3.5Al-5Nb-2.1Mo，即按重量百分比计为A13.5%，Nb5%, Mo2.1%，余量为钛及不可避免的杂质。原料选用为:Α1_60Μο合金、Ti_46Nb合金、铝豆、O级海绵钛。
[0043]本实施例钛合金的制备方法为:按名义成分T1-3.5Al-5Nb-2.1Mo配料，原材料采用A1-60MO中间合金、T1-46Nb中间合金、铝豆和零级海绵钛。原材料混合均匀后压制电极，用真空自耗电弧炉熔炼三次获得合金铸锭。合金铸锭经扒皮并切除冒口和尾端后，在自由锻设备上经1080~1100°C开坯锻造，然后在温度为880°C，道次变形量为55%的条件下进行反复镦拔锻造，之后在温度为860°C，道次变形量为60%的条件下进行多道次热轧，最后在道次变形量10%的条件下进行多道次冷轧，最终得到截面直径为2mm的棒材。
[0044]本实施例钛合金棒材经8298K/lh + 750 °C /3h热处理后的298K室温性能为:Rm=610MPa, Rp0 2=480MPa, A=22% ;20K 低温拉伸性能为=Rni=HlOMPa, Rp0 2=1210MPa, A=23%。
[0045]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:All.5%~3.5%，Nb4.5%~6.5%，Mol.2%~3%，余量为钛和不可避免的杂质；所述低温高强两相钛合金是指该钛合金在温度为20K条件下的力学性能满足:Rm≥1400MPa, Rp0.2≥1lOOMPa,A ≥ 20%ο
2.根据权利要求1所述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:A11.5%，Nb5%, Mol.2%，余量为钛和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:A11.5%，Nb4.5%，Mo3%，余量为钛和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:A12.5%，Nb5.5%，Mol.7%，余量为钛和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:A13.5%，Nb6.5%，Mo2.5%，余量为钛和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:A11.5%，Nb5%, Mo2.5%，余量为钛和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的一种低温高强两相钛合金，其特征在于 ，由以下质量百分比的成分组成:A13.5%，Nb5%, Mo2.1%，余量为钛和不可避免的杂质。
【文档编号】C22C14/00GK103627928SQ201310676092
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】葛鹏, 杜宇, 杨海瑛, 刘伟 申请人:西北有色金属研究院