一种低成本高强度高塑性亚稳β钛合金及其制备方法与流程

本发明属于金属材料制备加工
技术领域：
，尤其涉及一种低成本高强度高塑性亚稳β钛合金及其制备方法。
背景技术：
：钛合金具有密度小，比强度、比刚度高，耐腐蚀，良好的高低温性能和生物兼容性等特点，因此作为理想的结构材料和功能材料被大量应用于航空航天、舰船制造、石油化工、海洋工程、生物医学和建筑装饰等领域,且获得了良好的经济和社会效益。目前广泛应用的商业高强度近β钛合金有ti-1023，bt22，和vst5553，这些合金都或使用了较大含量的高成本mo％+v％，具有较高的成本；或没有明显的价格优势且合金强度低。如专利号为201610934241.2，“一种含fe的低成本近β型高强钛合金及其制备方法”所述钛合金中所含合金元素重量百分比为：al：2.5％-5.5％；fe：0.5-2.2％；mo：4.7％-5.7％；cr：3.5％-4.5％；zr：1.5％-3.5％；其中廉价元素fe含量较低，而昂贵元素mo含量较高，同时由于mo为高熔点金属，这无疑提高了合金元素成本和熔炼成本。如专利号为201410821718，“一种低成本高强高韧钛合金及其制备方法”该合金的重量百分比组成为：al：2.5-3.5％、fe：0.85-2.35％、v：3.0-8.0％、cr：1.0-5.0％、o<0.2％，余量为ti，不仅合金中廉价元素fe含量较低，高成本合金元素相对较高，而且其合金强度只有1106-1289mpa；再比如专利号为201610985168.1，名称为“一种低成本钛合金及其制备方法”和专利号为201610130527.5，名称为“一种含fe和mn元素的低成本钛合金”，两种合金fe含量分别为0.5-5wt.％和4-6wt.％，其合金强度分别为750mpa-850mpa和1203mpa-1233mpa，与高强度合金相比具有明显的差距。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种含有较大量的β元素稳定元素fe的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金及其制备方法。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种低成本高强度高塑性亚稳β钛合金，所述钛合金的重量百分比组成为：fe：3～7％，al：4～7.75％，v：3～5％，o：≤0.2％，c：≤0.08％，n：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。优选地，所述钛合金的重量百分比组成为：fe：4～6％，al：5.5～6.75％，v：3.5～4.75％，o：≤0.2％，c：≤0.08％，n：≤0.05％，余量为钛和不可避免的杂质。优选地，所述钛合金的重量百分比组成为：fe：5％，al：6％，v：4％，o：≤0.2％，c：≤0.08％，n：≤0.05％，余量为钛和不可避免的元素。优选地，所述钛合金的钼当量[mo]当为10.5～23，铝当量[a1]当为4～8；[mo]当的计算公式为：[mo]当＝0.67v+2.85fe；[a1]当的计算公式为：[a1]当＝al。作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金的制备方法，包括以下步骤：(1)按照配比，称取海绵钛、al-v中间合金、纯al、纯fe，得到混合原料；(2)将步骤(1)所得的混合原料压制成电极；(3)将步骤(2)所得的电极经过二次熔炼，制成ti-al-fe-v合金铸锭；(4)将步骤(3)所得的ti-al-fe-v合金铸锭开坯第一次锻造，得到大尺度锻件；(5)对步骤(4)所得的大尺寸锻件进行第二次锻造，得到较大尺寸棒材；(6)对步骤(5)所得的较大尺寸棒材进行第三次锻造，得到小尺寸棒材；(7)对步骤(6)所得的小尺寸棒材取样后进行固溶处理，空冷；然后进行时效处理，空冷，得到所述的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金。优选的，所述步骤(4)中，所述第一次锻造的温度为1000℃～1050℃，变形量为40～60％。优选的，所述步骤(5)中，所述第二次锻造的温度为850～900℃，变形量为65～85％。优选的，所述步骤(6)中，所述第三次锻造的温度为800～850℃，变形量为80～95％。优选的，所述步骤(7)中，所述固溶处理的温度为700℃～820℃，时间为0.5～1h。优选的，所述步骤(7)中，所述时效处理的温度为520～600℃，时间为4～8h。与现有技术相比，本发明的优点在于：1、本发明的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金，以钛为主体元素，以α稳定元素al和β稳定元素v和fe为合金元素，由于含有较大量的β元素稳定元素fe，与现在有的国外牌号高强度近β钛合金，如ti-1023，bt22，和vst5553相比，本合金因为具有较高的fe含量，众所周知，钛合金价格昂贵是制约其大量使用的重要因素，本发明的高强度高塑性近β型钛合金，通过在最常用的tc4钛合金中添加最便宜的合金元素fe，能够显著的降低合金成本。具有明显的价格优势，且强度塑性匹配度也达到了以上合金的水准。本发明的低成本高强高塑性钛合金，成分均匀，组织细小，抗拉强度达到了1280-1433mpa，并保持了4-12％的塑性，本合金的强度塑性匹配值超过了现有的多数合金，且具有成本优势，该低成本高强高塑性钛合金可用以生产应用于高强结构件中的各种锻件，在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。2、现在常用的含fe低成本钛合金强度约1100mpa，塑性为6％，而本发明的低成本高强高塑性钛合金抗拉强度达到了1280-1433mpa，并保持了4-12％的塑性。例如，专利号为201610934241.2，201410821718的含fe的低成本高强度钛合金中，fe含量分别为0.5-2.2wt.％，0.85-2.35wt.％，而本合金中fe含量3-7wt.％，因此具有很明显的价格优势，且性能也超过了上述合金。再比如专利号为201610985168.1，201610130527.5的两种合金fe含量分别为0.5-5wt.％和4-6wt.％，但其合金强度分别为750mpa-850mpa和1203mpa-1233mpa，与本发明中合金强度1280mpa-1433mpa具有明显差距。3、fe是一种广泛应用的钛合金添加元素，fe的加入可以显著提高合金的强度。但是由于fe元素容易偏析形成β斑，造成性能下降，所以在钛合金中fe的含量一直受到限制。在本合金中fe的含量达到了3-7wt.％，通过一系列的热锻造和热处理成功解决了高含fe量钛合金合金中fe元素偏析严重问题，保持高强度1280-1433mpa的同时的塑性达到了4-12％。4、本发明低成本高强高塑性钛合金的制备方法简单，在沿用常规的钛合金制备设备和流程的基础上调整制备工艺即可制得。附图说明图1为实施例1铸造一次铸锭实物图。图2为实施例1铸造一次铸锭实物图。图3为实施例1二次锻造成品实物图。图4为实施例1制备的低成本高强高塑性亚稳β钛合金的微观组织。图5为实施例2制备的低成本高强高塑性亚稳β钛合金的微观组织。图6为实施例3制备的低成本高强高塑性亚稳β钛合金的微观组织。具体实施方式以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。实施例1：本实施例的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金，包括下述重量百分比的化学元素:fe：5wt.％，al：6wt.％，v：4wt.％，o：≤0.2wt.％，c：≤0.08wt.％，n：≤0.05wt.％，余量为钛和不可避免的杂质。上述本实施例的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金的制备方法为：按上述比例称量海绵钛、al-v中间合金、纯al、纯fe，其中，钛由海绵钛提供，v由al-v中间合金提供，al由纯al和al-v中间合金提供，fe由纯fe提供得到混合原料；按设计成分混合后压制成电极，采用真空自耗电弧熔炼炉将所述电极熔炼二次制备得到直径为160mm合金铸锭(铸造一次铸锭如图1所示，铸造二次铸锭如图2所示)，在液压机或锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造，锻造温度为1050℃(相变点以上100-150℃)，变形量约为50％。之后合金在900℃(相变点以上10-20℃)进行二次锻造成1000mm×80mm×40mm的方棒变形量为75％(二次锻造成品如图3所示)，之后把合金切割为80mm×40mm×10mm方块并且在850℃(相变点以下40-50℃)三次锻造成约320mm×10mm×10mm的长条状，变形量约为87％。将上述制得的棒材进行固溶时效处理，该合金在700℃固溶处理0.5小时后空冷，在560℃时效处理6小时空冷至室温，测定合金强度和塑性。所得的棒材取样，热处理，热处理完毕后进行结构和性能的表征。从图4中可以看出，本实施例热处理后的低成本高强高塑性钛合金的微观组织主要是粗细相间的α相的网篮组织，和少量的球状α相；从表1可知，该合金抗拉强度达到1345mpa，延伸率达到8.5％，该低成本高强高塑性钛合金的强度超过了现有的多数合金，在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。实施例2：本实施例的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金，包括下述重量百分比的化学元素：fe：5wt.％，al：6wt.％，v：4wt.％，o：≤0.2wt.％，c：≤0.08wt.％，n：≤0.05wt.％，余量为钛。上述本实施例的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金的制备方法为：按上述比例称量海绵钛、al-v中间合金、纯al、纯fe，其中，钛由海绵钛提供，v由al-v中间合金提供，al由纯al和al-v中间合金提供，fe由纯fe提供得到混合原料；按设计成分混合后压制成电极，采用真空自耗电弧熔炼炉将所述电极熔炼二次制备得到直径为160mm合金铸锭，在液压机或锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造，锻造温度为1050℃，变形量约为50％。之后合金在900℃进行二次锻造成1000mm×80mm×40mm的方棒，变形量为75％，之后把合金切割为80mm×40mm×10mm方块并且在850℃三次锻造成约320mm×10mm×10mm的长条状，变形量约为87％。将上述制得的棒材进行固溶时效处理，该合金在750℃固溶处理0.5小时后空冷，在560℃时效处理6小时空冷至室温，测定合金强度和塑性。所得的棒材取样进行结构和性能的表征。从图5中可以看出，本实施例热处理后的低成本高强高塑性钛合金的微观组织主要是由固溶处理产生的大量的球状α相和时效过程产生的二次针状α相组成的双态组织；如表1所示，抗拉强度达到1280mpa，延伸率达到12％，该低成本高强高塑性钛合金的强度超过了现有的多数合金，在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。实施例3：本实施例的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金，包括下述重量百分比的化学元素:fe：5wt.％，al：6wt.％，v：4wt.％，o：≤0.2wt.％，c：≤0.08wt.％，n：≤0.05wt.％，余量为钛。上述本实施例的低成本高强度高塑性亚稳β钛合金的制备方法为：按上述比例称量海绵钛、al-v中间合金、纯al、纯fe，其中，钛由海绵钛提供，v由al-v中间合金提供，al由纯al和al-v中间合金提供，fe由纯fe提供得到混合原料；按设计成分混合后压制成电极，采用真空自耗电弧熔炼炉将所述电极熔炼二次制备得到直径为160mm合金铸锭，在液压机或锻锤等自由锻造设备上进行开坯锻造，锻造温度为1050℃，变形量约为50％。之后合金在900℃进行二次锻造成1000mm×80mm×40mm的方棒变形量为75％，之后把合金切割为80mm×40mm×10mm方块并且在850℃三次锻造成约320mm×10mm×10mm的长条状，变形量约为87％。将上述制得的棒材进行固溶时效处理，该合金在820℃固溶处理0.5小时后空冷，在560℃时效处理6小时空冷至室温，测定合金强度和塑性。所得的棒材取样进行结构和性能的表征。从图6中可以看出，本实施例热处理后的低成本高强高塑性钛合金的微观组织主要是固溶处理产生的较少量的球状α相和时效过程产生的较大量二次针状α相组成的双态组织；如表1所示，抗拉强度达到1433mpa，延伸率达到4％，该低成本高强高塑性钛合金的强度超过了现有的多数合金,在汽车、化工、电气、航空航天等领域作为高性能合金材料具有非常广阔的应用前景。表1实施例1～3的低成本高强高塑性钛合金的力学性能表实施例热处理制度rm/mparp0.2/mpaa/％实施例1700℃/0.5h/ac+560℃/6h/ac134512658.5实施例2750℃/0.5h/ac+560℃/6h/ac1280118912实施例3820℃/0.5h/ac+560℃/6h/ac143313174以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。当前第1页12