一种低成本高强度钛铁碳合金的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料科学和有色金属及其合金领域，特别是钛合金。
【背景技术】
[0002] 钛是一种中低密度金属（其密度为4. 5)，具有较高的比强度，中温性能好，无磁 性，具有极强的耐腐蚀能力，焊接性能好，是性能优异的金属结构材料，1〇〇余年来，在航空、 航天、舰船、核电、武器装备、石油开采和生物医学材料等高技术领域日益占据主导地位，其 主要发展趋势为高性能和低成本化。
[0003] 通过加入各类0相稳定元素即钼、钨、钒、铬、铌、钽、锰、钴等获得的TB型钛合金 强度较高，是高性能钛合金研发应用的重要内容。由于一些0相稳定元素熔点较高，难以 熔炼，例如钒（熔点1890°C)、钼（熔点2610°C)、铬（熔点1907°C)、钽（熔点2996°C)、钨 (熔点3380°C)，这些高熔点原料的使用必将提高钛合金的制造成本。另外，根据粗略市场 调查，常用合金化元素的价格高昂，例如，钒（约3000元/KG)、钼（约500元/KG)、铬（约 650元/KG)、钽（约4800元/KG)、钨（约500元/KG)。综合上述因素，不利于钛合金的规 模化应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种原料的熔点和成本均较低的低成本高强度钛铁碳合 金。该合金为一种具有较高铁含量及较高碳含量的TB型钛铁碳合金。
[0005] 本发明的技术方案是通过下述方式实现的：
[0006] 1、本发明的钛铁碳合金材料，其质量百分比如下：Fe的含量为11-12%，C的含量 为0. 03-0. 07%，余量为Ti和不可避免的杂质。
[0007] 2、本发明的制备方法为：按照合金给定配比称取原料配制合金，将配好成分的合 金置于电弧炉的水冷铜坩埚中，利用真空非自耗电弧炉进行熔炼，熔炼前电弧炉的背底真 空度高于2. 0X10 2Pa，弧焊电源电流工作范围为300-500A，电压工作范围为15-30V(熔炼 过程中根据熔体状态需要适当调整熔炼设备相关参数）；熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却， 为确保合金成分均匀，每个合金锭要在电弧炉中反复熔炼最少8次。熔炼均匀的合金从坩 埚中取出后，用于铸造态样品性能分析或后续加工。
[0008] 根据铁钛二元合金相图，富钛一端的合金由钛基体和铁钛相组成，基体0钛为体 心立方相，具有极佳的塑性，铁钛相作为合金化合物相，在基体中主要起到强化的作用。通 过合理选择合金成分及加入其它合金元素的方法，实现细化基体组织和第二相，改善其形 貌和分布，可以进一步提高合金的力学性能。
[0009] 本发明中Fe为主要合金化元素，C为微量合金化元素。本合金铸造态基体组织全 部或大部分为0 _Ti，并存在一定数量的化合物相作为基体强化相。所用合金元素的作用包 括稳定0相、固溶强化、第二相强化、改善合金微观组织及降低合金中氧元素对性能的影 响等。
[0010] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0011] 1、本发明以钛合金体系为对象，以钛铁两种元素为合金主体，通过加入微量碳元 素，形成有较高强度和塑性的钛合金。
[0012] 2、采用本发明配比的钛合金不仅较容易熔炼，而且成本低廉。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明例1铸态合金单轴压缩条件下的应力-应变曲线图。
[0014] 图2为本发明例1铸态合金的金相显微组织照片图。
[0015] 图3为本发明例2热乳态合金的金相显微组织照片图。
【具体实施方式】
[0016] 实例 1
[0017] 用88. 5克纯钛丝和含碳量为0. 45%的铁碳合金11. 5克原料配料，用非自耗真空 电弧炉熔炼。熔炼时电弧炉的背底真空度高于2. 0X10 2Pa，弧焊电源工作电流为400A，工 作电压为20V。合金经初次熔炼成一个整体后，在坩埚中翻面进行二次熔炼，如此反复，共计 8次。待合金熔炼完毕后，用电火花线切割的方法从合金锭中切下尺寸为巾5X10_的合金 样品，用带引伸计的压缩力学试验机进行力学性能测试，其结构见表1。用光学显微镜、扫描 电子显微镜观察了合金的显微组织。从图1的铸态合金的压缩力学性能测试表明，其屈服 强度为1149MPa(工程应力），延伸率为31 % (工程应变），压缩断裂强度为2545MPa(工程 应力）。测试结果表明，该铸态合金不但具有较高的屈服强度，而且在压缩载荷作用下体现 出极高的应变强化特征，断裂强度极高、塑性极佳。从图2所示的铸态合金的金相显微组织 照片图可以看出：合金的显微组织由钛基体和在基体中均匀分布的强化相组成，其中钛基 体的晶粒尺寸超过200微米，其强化相主要分布于晶粒内部。
[0018] 实例 2
[0019] 用88. 5克纯钛丝和含碳量为0. 56%的铁碳合金11. 5克原料配料，用非自耗真空 电弧炉熔炼。熔炼时电弧炉的背底真空度高于2. 0X10 2Pa，弧焊电源工作电流为420A，工 作电压为30V。合金经初次熔炼成一个整体后，在坩埚中翻面进行二次熔炼，如此反复，共计 8次。
[0020] 待合金反复多次熔炼均匀后，用电火花线切割从合金锭中切下长宽高分别为40、 40、15的合金样品，于900°C进行多道次乳制，道次变形量控制在10%以内，总变形量为 60%以上，乳制后合金用水淬或空冷的方式冷至室温。将合金板用电火花线切割成拉伸 及压缩试样，用带有引伸计的拉伸力学试验机进行力学性能测试，其结果如表1。用光学显 微镜、扫描电子显微镜观测了合金的显微组织图，如图3所示，从图3所示的热乳态合金的 金相显微组织照片图可以看出，合金的显微组织由钛基体和在基体中均匀分布的强化相组 成，其中钛基体的晶粒尺寸与铸造态相比显著细化，并且呈现出明显的取向性。
[0021] 表1本发明合金不同制备态的一些基本力学性能参数
[0022]
【主权项】
1. 一种低成本高强度钛铁碳合金，其特征在于：其质量百分比如下：Fe的含量为 11-12%，C的含量为0. 03-0. 07%，余量为Ti和不可避免的杂质。
【专利摘要】一种低成本高强度钛铁碳合金，其特征在于：其质量百分比如下：Fe的含量为11-12％，C的含量为0.03-0.07％，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明以钛合金体系为对象，以钛铁两种元素为合金主体，通过加入微量碳元素，使其成为具有较高强度和塑性的钛合金；采用本发明配比的钛合金不仅较容易熔炼，而且成本低廉。
【IPC分类】C22C14/00
【公开号】CN105112723
【申请号】CN201510518179
【发明人】贾元智, 刘睿超, 刘延国, 马明臻, 刘日平
【申请人】燕山大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年8月21日