一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金的制作方法

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金。

背景技术：

钛及钛合金具有比强度高、无磁性、热膨胀系数低、耐腐蚀等一系列性能优点，其作为一种重要的金属结构材料不仅被应用于航空航天工业与石油化工工业中，而且在海洋工程和船舶装备制造中得到广泛的应用，有“海洋金属”之称。其中，TA1、TA2等工业纯钛由于具有优良的耐海水腐蚀性和加工成形性而被大量用于制造海水淡化装置的换热器、冷凝器及管路系统。但是，工业纯钛的强度不高，其屈服强度一般在150～450MPa之间，无法满足制造高压设备的性能要求。TA10、TA22等钛合金具有比纯钛更高的强度和更为优良的耐缝隙腐蚀能力，主要用于制备船舶动力装置的管路系统和阀门等，但是本发明发现，这些合金中都含有一定量的Ni，元素Ni属于快共析型β稳定元素，在合金熔炼过程中易于发生偏析，在长期高温服役条件下对合金性能具有不利影响。

技术实现要素：

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，提供一种海洋工程用中等强度高冲击韧性的钛合金，该合金在不添加有元素Ni的条件下，其屈服强度能够达到450MPa～550MPa级别，并且具有与纯钛相当的塑性、冲击韧性和耐海水腐蚀性，可通过热加工制造钛合金管材，满足海洋环境工况的使用要求，同时该合金还具备优良的可焊接性和冷热加工性，满足批量化生产和工程化应用的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 1.5％～3.5％，Zr 0.5％～3％，Mo 0.5％～2％，Nb 0.5％～3％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述中等强度是指该合金经简单退火或双重退火处理后的屈服强度为450MPa～550MPa，所述高冲击韧性指该合金经简单退火或双重退火处理后的冲击韧性不低于780kJ/m²。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 3.5％，Zr 0.5％，Mo 1.2％，Nb 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 1.8％，Zr 3.0％，Mo 0.5％，Nb 2.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 2.0％，Zr 1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 2.4％，Zr 1.4％，Mo 2.0％，Nb 0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 1.5％，Zr 2.6％，Mo 1.0％，Nb3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，所述简单退火的具体过程为：在温度为800℃的条件下保温1h后空冷，所述双重退火的具体过程为：先在温度为900℃的条件下保温1h后空冷，然后在温度为700℃的条件下保温4h后空冷。

本发明海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金的制备过程为传统制备工艺：采用Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在950℃～1150℃范围内进行逐级降温锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工。

本发明中等强度高冲击韧性钛合金的研发机理为：

1、本发明钛合金中加有一定比例的Al元素，以强化合金中的α相，提高合金强度。Al元素含量太少，对合金的强化作用不明显。Al元素含量过高，会导致合金塑性和冲击韧性的显著下降，并降低其可加工性，使合金无法用作制备管材；

2、本发明钛合金中加有一定比例的Zr元素，以抑制晶粒在相变温度以上时的过快长大，一定程度改善合金的塑性和可焊接性。Zr元素含量太少，对合金塑性和可焊接性的改善作用不明显。Zr元素含量过高，使合金成本增加；

3、本发明钛合金中加有一定比例的Mo元素，以强化合金中的少量β相，提高合金强度的同时使合金的相变温度降低，改善其热加工性能；此外，Mo元素的加入还可提高合金在大部分还原性介质中的耐腐蚀性。Mo元素含量太少，强化作用及性能改善不明显。Mo元素含量过高，会导致合金由近α型钛合金转变为(α+β)两相钛合金，显著降低合金的冲击韧性和可焊接性；

4、本发明钛合金中加有一定比例的Nb元素以改善合金的冷热加工性能，促使合金组织更易被细化，提升合金塑性和冲击韧性；同时Nb元素可微量强化合金中的β相。Nb元素含量太少，对合金性能的改善作用不明显。Nb元素含量过高，显著增加合金成本。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中等强度高冲击韧性钛合金具有良好的综合性能。其抗拉强度Rm为550MPa～650MPa，屈服强度Rp_0.2为450MPa～550MPa，延伸率A为18％～28％，断面收缩率Z为45％～60％，冲击韧性a_KV为780kJ/m²～1600kJ/m²，基体及焊缝在60℃、3.5wt％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率≤4×10^-4mm/a；

2、本发明中等强度高冲击韧性钛合金易于制备，成分简单且不易发生偏析，组织均匀且稳定，可以制成铸件、棒材、板材、管材和锻件等加工产品，适用于海洋工程领域；

3、本发明中等强度高冲击韧性钛合金在不添加有元素Ni的条件下，其屈服强度能够达到450MPa～550MPa级别，并且具有与纯钛相当的塑性、韧性和耐海水腐蚀性，同时还具备优良的可焊接性和冷热加工性，满足批量化生产和工程化应用的要求。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1中等强度高冲击韧性钛合金的金相组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的成分为Ti-3.5Al-0.5Zr-1.2Mo-1.5Nb，即：合金成分按重量百分比计为Al 3.5％，Zr 0.5％，Mo 1.2％，Nb 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的制备过程为：采用Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工得到直径为20mm的棒材。该棒材经800℃/1h,AC简单退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为645MPa，屈服强度为546MPa，断后伸长率为19.5％，断面收缩率为48％，冲击吸收功为820kJ/m²。该棒材经900℃/1h,AC+700℃/4h,AC双重退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为635MPa，屈服强度为532MPa，断后伸长率为22.5％，断面收缩率为50％，冲击吸收功为880kJ/m²。合金基体及焊缝在60℃、3.5wt％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率2.2×10^-4mm/a。

图1为本实施例中等强度高冲击韧性钛合金经900℃/1h,AC+700℃/4h,AC双重退火处理后的金相组织图。由图1可知该合金为典型的近α型钛合金，组织由约75％的等轴α相和约25％的β转变组织组成，整体组织均匀细小无偏析，等轴α相平均尺寸不足10μm。

实施例2

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的成分为Ti-1.8Al-3Zr-0.5Mo-2.5Nb，即：合金成分按重量百分比计为Al 1.8％，Zr 3.0％，Mo 0.5％，Nb 2.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的制备过程为：采用Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工得到直径为20mm的棒材。该棒材经800℃/1h,AC简单退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为572MPa，屈服强度为469MPa，断后伸长率为25％，断面收缩率为56％，冲击吸收功为1070kJ/m²。该棒材经900℃/1h,AC+700℃/4h,AC双重退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为566MPa，屈服强度为460MPa，断后伸长率为25.5％，断面收缩率为58％，冲击吸收功为1120kJ/m²。合金基体及焊缝在60℃、3.5％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率1.3×10^-4mm/a。

实施例3

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的成分为Ti-2Al-1Zr-0.8Mo-1Nb，即：合金成分按重量百分比计为Al 2.0％，Zr 1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的制备过程为：采用Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工得到直径为20mm的棒材。该棒材经800℃/1h,AC简单退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为588MPa，屈服强度为470MPa，断后伸长率为24％，断面收缩率为55％，冲击吸收功为1030kJ/m²。该棒材经900℃/1h,AC+700℃/4h,AC双重退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为581MPa，屈服强度为466MPa，断后伸长率为25％，断面收缩率为57％，冲击吸收功为1160kJ/m²。合金基体及焊缝在60℃、3.5％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率1.7×10^-4mm/a。

实施例4

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的成分为Ti-2.4Al-1.4Zr-2Mo-0.5Nb，即：合金成分按重量百分比计为Al 2.4％，Zr 1.4％，Mo 2.0％，Nb 0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的制备过程为：采用Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工得到直径为20mm的棒材。该棒材经800℃/1h,AC简单退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为622MPa，屈服强度为537MPa，断后伸长率为23.5％，断面收缩率为53％，冲击吸收功为1140kJ/m²。该棒材经900℃/1h,AC+700℃/4h,AC双重退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为611MPa，屈服强度为523MPa，断后伸长率为24.5％，断面收缩率为54％，冲击吸收功为1320kJ/m²。合金基体及焊缝在60℃、3.5％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率2.5×10^-4mm/a。

实施例5

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的成分为Ti-1.5Al-2.6Zr-1Mo-3Nb，即：合金成分按重量百分比计为Al 1.5％，Zr 2.6％，Mo 1.0％，Nb 3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例中等强度高冲击韧性钛合金的制备过程为：采用Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工得到直径为20mm的棒材。该棒材经800℃/1h,AC简单退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为591MPa，屈服强度为497MPa，断后伸长率为24％，断面收缩率为54％，冲击吸收功为1280kJ/m²。该棒材经900℃/1h,AC+700℃/4h,AC双重退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为582MPa，屈服强度为473MPa，断后伸长率为25.5％，断面收缩率为57％，冲击吸收功为1520kJ/m²。合金基体及焊缝在60℃、3.5％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率1.8×10^-4mm/a。

对比例1

本对比例合金的成分为Ti-2.6Zr-1Mo-3Nb，即：合金成分按重量百分比计为Zr 2.6％，Mo 1.0％，Nb 3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本对比例合金的制备过程为：采用Ti-Mo合金、Ti-Nb合金、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工得到直径为20mm的棒材。该棒材经800℃/1h,AC简单退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为507MPa，屈服强度为429MPa，断后伸长率为25％，断面收缩率为55％，冲击吸收功为930kJ/m²。该棒材经900℃/1h,AC+700℃/4h,AC双重退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为522MPa，屈服强度为436MPa，断后伸长率为18.5％，断面收缩率为43％，冲击吸收功为820kJ/m²。合金基体及焊缝在60℃、3.5％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率2.4×10^-4mm/a。

经对比例1与实施例5对比可知，由于缺乏Al元素对α相的固溶强化作用，导致对比例1合金的强度大幅度下降，降低约15％，未达到中等强度级别。

对比例2

本对比例合金的成分为Ti-1.5Al-2.6Zr-1Mo，即：合金成分按重量百分比计为Al 1.5％，Zr 2.6％，Mo 1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本对比例合金的制备过程为：采用Al-Mo中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工得到直径为20mm的棒材。该棒材经800℃/1h,AC简单退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为567MPa，屈服强度为469MPa，断后伸长率为17.5％，断面收缩率为38％，冲击吸收功为740kJ/m²。该棒材经900℃/1h,AC+700℃/4h,AC双重退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为548MPa，屈服强度为446MPa，断后伸长率为19％，断面收缩率为41％，冲击吸收功为770kJ/m²。合金基体及焊缝在60℃、3.5％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率2.1×10^-4mm/a。

经对比例2与实施例5对比可知，由于缺乏Nb元素对合金塑性和韧性的改善作用，导致对比例2合金的延伸率、断面收缩率和冲击吸收功均不同程度下降。同时由于Al元素含量为下限，合金屈服强度的余量不足。

对比例3

本对比例合金的成分为Ti-4.5Al-2.6Zr-1Mo-4Nb，即：合金成分按重量百分比计为Al 4.5％，Zr 2.6％，Mo 1.0％，Nb 4.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

本对比例合金的制备过程为：采用Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在分别在1150℃、1050℃和950℃进行三次开坯锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工得到直径为20mm的棒材。该棒材经800℃/1h,AC简单退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为661MPa，屈服强度为570MPa，断后伸长率为15.5％，断面收缩率为34％，冲击吸收功为670kJ/m²。该棒材经900℃/1h,AC+700℃/4h,AC双重退火处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为647MPa，屈服强度为558MPa，断后伸长率为16％，断面收缩率为36％，冲击吸收功为740kJ/m²。合金基体及焊缝在60℃、3.5％NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀速率为0mm/a，在10m/s流速下，冲刷腐蚀速率5.8×10^-4mm/a。

经对比例3与实施例5对比可知，由于Al元素含量超出上限，合金强度大幅提升，但塑性及韧性下降明显。而通过热加工制备钛合金管材需要合金具备优异的塑性，因此高含量的Al元素会降低合金的可加工性。同时Al、Nb元素的增加导致合金在熔炼制备过程中需添加的中间合金更多，不利于杂质元素的控制，从而导致合金耐海水冲刷腐蚀性下降。

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。