一种高强度高塑性钛铁铜碳合金的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于材料技术领域，特别涉及一种钛合金。
【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，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端技术领域日益占据主导地位。钛材料多以合 金形式应用，如通过加入各类β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β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，一 些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)。综上所述，低成本元素的加入更加有利于钛合金的规模 化应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种原料的熔点和成本均较低的高强度高塑性钛铁铜碳 合金。
[0004] 本发明的钛铁铜碳合金是一种具有较高铁元素及碳元素含量的TB型钛铁铜碳合 金，其化学成分质量百分比如下:Fe的含量为10.2-11.2%，Cu的含量为5.4-6.4%，C的含量 为0.06-0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。
[0005] 上述钛铁铜碳合金的制备方法如下：
[0006] 将上述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高于2.0Xl(T2Pa，弧焊电源电流工作范围为300-500A，电压工 作范围为15-30V，熔炼温度为2300-2800°C，单个铸锭熔炼时间为4分钟，反复熔炼最少8次； 熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却，熔炼均匀的合金从坩埚中取出后，用于铸造态合金性能分 析或后续加工。
[0007] 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β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如铜、碳等，实现细化基体组织和第二相，优化合金 的相组成，改善其形貌和分布，可以进一步提高合金的力学性能。本发明中Fe为主要合金化 元素，Cu为次要合金化元素，C为微量合金化元素。所用合金元素的作用包括稳定β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。
[0008] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0009] 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，通过加入少量铜元 素和微量碳元素，使其成为具有较高强度和一定塑性的钛合金。
[0010] 2、本发明配比的钛合金不仅较容易熔炼，而且成本低廉。
[0011] 3、综合力学性能较好，其合金铸造态样品在单轴压缩载荷作用下屈服强度为 1142MPa，断裂强度可超过3000Mpa，同时其工程应变为35 %。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明实施例1制得的钛铁铜碳合金的铸态单轴压缩条件下的工程应力-应 变曲线图；
[0013]图2为本发明实施例1制得的钛铁铜碳合金的金相显微组织图。
【具体实施方式】
[0014] 实施例1
[0015] 用74.05克纯钛丝、10.16克碳含量为0.56 %的铁碳合金和5.78克纯铜等原料配 料，用非自耗真空电弧炉熔炼。熔炼时电弧炉的背底真空高于2.0 X l(T2Pa，弧焊电源工作电 流为400A，工作电压为20V，熔炼温度最佳约为2300°C，单个铸锭熔炼时间为4分钟，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，熔炼完毕的合金 锭随坩埚冷却，熔炼均匀的合金从坩埚中取出，制得的钛铁铜碳合金。
[0016] 待合金熔炼完毕，用电火花线切割的方法从合金锭中切下尺寸为Φ5Χ 10mm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。将合金板用电火花线切割成拉伸试样，用带有引伸 计的拉伸力学试验机进行力学性能测试。测试结果表明合金具有优异的机械性能，具体如 下表：
[0017]表1本发明合金不同制备态的一些基本力学性能参数 [0018]
[0019]如图1所示，铸态合金的压缩力学性能测试表明：其屈服强度为1142MPa(工程应 力），延伸率为35 % (工程应变），压缩断裂强度为3089MPa(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。如图2所示，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。
[0020] 实施例2
[0021]用74克纯钛丝、10.5克碳含量为0.65 %的铁碳合金和5.5克纯铜等原料配料，用非 自耗真空电弧炉熔炼。熔炼时电弧炉的背底真空高于2.0 Xl(T2Pa，弧焊电源工作电流为 500A，工作电压为30V，熔炼温度最佳约为2800°C，单个铸锭熔炼时间为4分钟，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，熔炼完毕的合金锭随 坩埚冷却，熔炼均匀的合金从坩埚中取出，制得的钛铁铜碳合金。
[0022] 实施例3
[0023] 用74.5克纯钛丝、10.5克碳含量为0.6%的铁碳合金和5克纯铜等原料配料，用非 自耗真空电弧炉熔炼。熔炼时电弧炉的背底真空高于2.0 Xl(T2Pa，弧焊电源工作电流为 300A，工作电压为15V，熔炼温度最佳为2500°C，单个铸锭熔炼时间为4分钟，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，熔炼完毕的合金锭随坩 埚冷却，熔炼均匀的合金从坩埚中取出，制得的钛铁铜碳合金。
【主权项】
1. 一种高强度高塑性钛铁铜碳合金，其特征在于：它是一种具有较高铁元素及碳元素 含量的TB型钛铁铜碳合金，其化学成分质量百分比如下:Fe的含量为10.2-11.2%，Cu的含 量为5.4-6.4%，C的含量为0.06-0.08%，余量为Ti和不可避免的杂质。2. 权利要求1的高强度高塑性钛铁铜碳合金的制备方法，其特征在于:将上述成分的合 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 空高于2.0\10-￥ &，弧焊电源电流工作范围为300-50(^，电压工作范围为15-30￥，熔炼温度 为2300-2800°C，单个铸锭熔炼时间为4分钟，反复熔炼最少8次;熔炼完毕的合金锭随坩埚 冷却，熔炼均匀的合金从坩埚中取出后，用于铸造态合金性能分析或后续加工。
【专利摘要】一种高强度高塑性钛铁铜碳合金，它的化学成分质量百分比为：Fe？10.2-11.2％，Cu？5.4-6.4％，C？0.06-0.08％，余量为Ti和不可避免的杂质；上述钛铁铜碳合金的制备方法主要是将上述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高于2.0×10-2Pa，弧焊电源电流工作范围为300-500A，电压工作范围为15-30V，熔炼温度最佳为2300-2800℃，单个铸锭熔炼时间为4分钟，反复熔炼最少8次；熔炼完毕的合金锭随坩埚冷却，熔炼均匀的合金从坩埚中取出，制得钛铁铜碳合金。本发明的钛铁铜碳合金具有较高强度和塑性的钛合金；不仅较容易熔炼，而且成本低廉。
【IPC分类】C22C1/02, C22C14/00
【公开号】CN105441714
【申请号】CN201510979477
【发明人】贾元智, 宋全, 张兵, 马明臻, 刘日平
【申请人】燕山大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月24日