一种低成本高性能钛合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种低成本高性能钛合金的成分设计 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 钛及钛合金因具有低密度、高比强度、耐高温、耐腐蚀、无磁、生物兼容等优异性 能，在航空、航天、舰船等领域得到大量的应用，然而钛的高成本限制了钛及钛合金的应用 范围，尤其在民用领域。目前工业钛合金中合金化元素多数使用V、Mo、Nb、Zr、Sn和Ta等 贵重金属，使钛合金的成本居高不下，影响了钛合金的使用范围。
[0003] 目前降低钛合金成本的途径有：通过改进原材料（海绵钛）的生产方式来降低原 材料成本、采用廉价合金化元素、简化钛合金加工工艺、优化钛制品加工技术等各种方法。 其中采用廉价合金化元素方面，采用相对于A1-V合金廉价的Mo-Fe合金作为中间合金达到 降低成本的目的。然而Mo的价格仍然较贵，因此成本降低有限，只有Fe、Al、Si、Cr、C、0、N 和B等资源丰富的廉价元素才能达到大幅度降低钛合金成本的目的。
[0004][0005][0006]
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是采用廉价的Fe-B中间合金或单质铁作为中间合金出发点，氧元 素以1102形式加入，提供一种低成本高性能钛合金的成分设计以及制备方法。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009] -种低成本高性能的钛合金，合金成分含量按质量百分数计：含Fe:1~5%，0 : 0. 1~0. 4%，B:0. 1~0. 3%，余量为钛和不可避免的杂质；低成本钛合金中杂质含量按百 分比计为：0.05%，0.01%，Si< 0.05%，0.001%，其他的杂质元素含量按质 量分数计均< 0. 01%。
[0010] 所述低成本高性能钛合金的杂质含量按百分比计为：0.05%，0.01%， Si彡0.05%，H彡0.001%，其他杂质元素含量均彡0.01%;所述其他元素为Al、V、Ni、Cr、 Mn和Cu等元素。
[0011] Fe作为钛合金的0稳定元素，其市场价格低廉，Fe加入0钛合金中，可以加快合 金时效响应速度，达到时效强度峰值所需时间也较短；Fe含量过多时，容易发生偏析形成 "0斑";〇元素是间隙式a稳定元素，在a钛中有很大的溶解度，在钛中会形成间隙式固 溶体和金属化合物相，使钛合金强度升高，但对合金塑性会造成所害，设计合适的氧含量可 以达到强度提高和塑性下降的最佳状态；而钛中加入B元素可以有效的细化铸态组织并阻 碍后续加工过程中已细化晶粒的长大，从而减少变形火次，达到降低成本的目的。
[0012] 本发明中，原材料的成本与海绵钛的成本相当，但所述原材料成本比Ti-6A1_4V 合金的原材料成本低15%以上，且力学性能与Ti-6A1-4V合金相当，Ti-6A1-4V合金的性能 如表1所示。中间合金成本如表2所示，Fe-B中间合金成本低于其他中间合金的成本，Fe-B 中间合金的成本如表3所示。
[0013] 表1. Ti-6A1-4V合金的基本力学性能
[0014]
【主权项】
1. 一种低成本高性能钛合金，其特征在于，该合金以钛为主体元素，以α稳定元素和 β稳定元素为合金元素，其中α稳定元素为〇和Β，β稳定元素为Fe;所述钛合金的成分 含量按质量百分比计：含1-5%的Fe，0. 1-0. 4%的0,0. 1-0. 3%的B，余量为钛和不可避免 的杂质；氧元素以1102形式加入，钛元素由海绵钛和TiO2提供，硼元素由Fe-B中间合金提 供，铁元素由Fe-B中间合金和单质铁提供。
2. 根据权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述低成本高性能钛合金的不可避免 的杂质含量按百分比计为：C彡0.05%，N彡0.01%，Si彡0.05%，H彡0.001%，其他杂质 元素含量均彡〇. 01% ;所述其他元素为Al、V、Ni、Cr、Mn和Cu等元素。
3. -种低成本高性能钛合金的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤： 第一步：按钛合金各元素组分计算海绵钛、Fe-B中间合金、铁单质、二氧化钛用量配 比； 第二步：将海绵钛、Fe-B中间合金、铁单质、二氧化钛按配比放入冷坩埚悬浮熔炼炉的 水冷铜坩埚中，对炉体抽真空后通入一定量的高纯氩气，在1600°C时进行15min的合金首 次熔炼；等待铸锭充分冷却后，把铸锭上下倒置放入水冷铜坩埚中进行再次熔炼，如此反复 3-4次后为止； 第三步：铸锭在相变点以上20-100°C开坯锻造成棒坯，然后经过轧制后制成Φ 12mm的 棒材； 第四步：对棒材取样后进行热处理后进行结构和性能的表征。
4. 根据权利要求3所述的制备低成本高性能钛合金的方法，其特征在于：所制备出钛 合金抗拉强度达到950MPa以上，延伸率不小于15%，断面收缩率不小于25%。
【专利摘要】本发明涉及一种低成本高性能钛合金及其制备方法。该合金是以钛为主体元素，另加入三种元素构成的一种四元钛合金。合金成分含量按质量分数计：Fe：1-5%，O：0.1-0.4%，B：0.1-0.3%，余量为钛和不可避免的杂质。制备方法如下：按设计的合金成分比例将原材料加入到通入氩气的冷坩埚悬浮熔炼炉中，反复熔炼几次后得到铸锭，铸锭在相变点以上开坯锻造成棒坯，然后经过轧制后制成棒材，对棒材取样进行热处理，最后进行结构及性能表征。此制备工艺方法简单，制得合金成分均匀，抗拉强度达到950MPa以上，延伸率不小于15%，断面收缩率不小于25%。基本力学性能与Ti-6Al-4V相当，但成本与之比较具有降低15%以上的优势，在某些领域可以替代部分价格较昂贵的钛合金。
【IPC分类】C22C14-00
【公开号】CN104831122
【申请号】CN201510257529
【发明人】常辉, 张尧, 李峰, 董月成, 崔予文, 鲁晓刚, 周廉
【申请人】南京工业大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月19日