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CN113462929B - 一种高强高韧α+β型钛合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强高韧α+β型钛合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强高韧α+β型钛合金材料及其制备方法，钛合金材料由金属元素钛、铝、钒组成，各个金属元素质量百分比为铝x％，钒y％，余量钛，记为Ti‑xAl‑yV，其中x＝7，y＝6.2‑7.5；铸态Ti‑xAl‑yV具有由密排六方结构的α相和体心立方结构的β相双相共存的晶体结构，抗拉强度大于1100Mpa，延伸率不低于25％。上述钛合金材料的制备方法如下：S1、按上述金属元素质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒；S2、把称取好的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒放入真空感应炉中，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；S3、将得到的合金液在真空感应炉中进行保温处理；S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭，即完成制备。本发明钛合金具备良好的力学性能和耐高温性能。

Description

一种高强高韧α+β型钛合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强高韧α+β型钛合金材料及其制备方法，属于钛合金材料技术领域。
背景技术
钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。通常按照钛合金从β相单区淬火后的相组成和β稳定元素的含量，可将钛合金细分为α型钛合金、近α型钛合金、α+β型钛合金、近β型钛合金、β型钛合金。
α+β型钛合金具有相对较高含量的β稳定元素，退火状态下的组织由α相与β相组成，其中β相的含量在5.0％-40.0％的范围内，淬透性比较好，可通过热处理进行强化。由于α+β型钛合金具备良好的热稳定性、较高的强度和塑形，通常应用于高温高强航空结构件。其中，TC4钛合金(Ti-6Al-4V合金)材料是用途最广泛的α+β型钛合金材料。在航空业中，TC4钛合金作为结构零部件主要用在隔板、机翼、机架、压气机盘、发动机、叶片、气瓶等。随着航空装备的高精度和小型智能化发展，对航空用钛合金结构材料提出苛刻的要求，需要在满足高强度的同时具有良好的塑性，现有的TC4钛合金已经无法满足有些应用领域的需求。因此，需要寻找新的制备技术和手段开发出可批量生产的高强高韧钛合金材料。
发明内容
本发明的发明目的是一种高强高韧α+β型钛合金材料及其制备方法，以解决传统钛合金的综合力学性能亟待提升的问题。
本发明实现其发明目的首先提供一种高强高韧α+β型钛合金材料，由金属元素钛、铝、钒组成，其特征在于，所述钛合金材料中各个金属元素质量百分比为铝(Al)x％，钒(V)y％，余量钛，记为Ti-xAl-yV，其中，x＝7，y＝6.2-7.5；铸态Ti-xAl-yV具有由密排六方结构(HCP)的α相和体心立方结构(BCC)的β相双相共存的晶体结构，抗拉强度大于1100MPa，延伸率不低于25％。
进一步，本发明所述钛合金材料中钒的质量百分比y％＝6.5％-7％。
更进一步，本发明所述钛合金材料中钒的质量百分比y％＝7％。
在钛合金中，α相稳定元素即为可以稳定α相，提高钛合金相变点的元素，Al是各种钛合金中最常用的α相稳定元素，β相稳定元素可以起到稳定β相，V、Mo、Nb为较为常见的β相稳定元素。现有技术中对钛合金的元素设计主要考虑Mo当量，设计的钛合金性能无法满足有些应用领域的需求。本发明在钛合金成分设计上主要考虑钛合金α相和β相的协同作用，在α相稳定元素Al含量增加为7％的基础上，根据协同作用设计相应成分β同晶元素含量，调整β同晶元素含量质量分数至6.2％-7.5％，使得钛合金在铸态状态下具有由密排六方结构(HCP)的α相和体心立方结构(BCC)的β相双相共存晶体结构，达到了抗拉强度大于1100MPa，延伸率不低于25％的技术效果。下面具体分析本发明的元素配比的设计原理及有益效果：
一、本发明在传统Ti6Al4V钛合金的基础上改变α稳定元素铝元素和β稳定元素钒元素的含量，调整钛合金中α相和β相含量，改变合金体系的微观相结构与含量，使得钛合金在铸态状态下具有由密排六方结构(HCP)的α相和体心立方结构(BCC)的β相双相共存晶体结构，且增大了β相的分数含量，β相含量的增加使得合金体系的两相逐渐细化使得两相交叉程度增加，两相组织分布更加均匀，晶粒尺寸和残余应力也相应减小，有利于提升合金材料的力学性能。
二、本发明是在传统Ti6Al4V钛合金基础上，通过提高α稳定元素(铝元素)的含量，提高了α相的温度区间，获得了更多α相，而α相本身具有优异的高温性能，从而使得本发明制备的钛合金具有优异的高温性能稳定性。
三、本发明通过对合金成分元素的合理优化，达到调控相组成及相界分布的作用；进一步地通过降低合金体系层错能大小，促进合金内部的层错等缺陷的数量增加，降低合金局部应力，从而达到均匀化组织，细化晶粒的作用，能够显著改善合金材料的力学性能。
本发明实现其发明目的还提供了一种上述高强高韧α+β型钛合金材料的制备方法，其步骤如下：
S1、按所述Ti-xAl-yV钛合金材料中各个金属元素质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒；
S2、把称取好的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒放入真空感应炉中，对真空感应炉抽真空后充入保护气体，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200～250A之间，电压保持在14～16V之间；
S3、将得到的合金液在真空感应炉中进行保温处理，保温时间为15～20min，保温温度为1700～1750℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭，即完成高强高韧α+β型钛合金的制备。
与现有技术相比，上述制备方法的有益效果是：上述制备方法结合合金元素配比制备的铸态钛合金，合金内双相共存的晶体结构稳定，组织均匀无偏析，两相组织分布均匀，晶粒尺寸和残余应力小，合金体系层错能低，合金局部应力低。最终制备的铸态钛合金抗拉强度大于1100MPa，延伸率不低于25％，具备良好的力学性能、耐高温性能。而且上述制备方法工艺简单，成本低，安全可靠，可实现大批量工业应用。
进一步，本发明所述步骤S1所称取的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒的纯度均满足质量百分数大于99.99％。
进一步，本发明所述步骤S2在保护气体下反复翻转熔炼的过程中，翻转的次数为4～6次。
进一步，本发明所述步骤S2在保护气体下反复翻转熔炼的过程中，保护气体为纯度大于99.99％的氩气。
下面通过具体实施方式及附图对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明对比例制备的钛合金材料的光镜图。
图2为本发明实施例1制备的钛合金材料的光镜图。
图3为本发明实施例2制备的钛合金材料的光镜图。
图4为本发明对比例制备的钛合金材料的EBSD图。
图5为本发明实施例1制备的钛合金材料的EBSD图。
图6为本发明实施例2制备的钛合金材料的EBSD图。
图7为本发明对比例、实施例1及实施例2制备的钛合金材料的硬度柱状图。
图8为本发明对比例、实施例1及实施例2制备的钛合金材料的拉伸应力-应变曲线图。
具体实施方式
对比例
一种钛合金材料，由金属元素钛、铝、钒组成，所述钛合金材料中各个金属元素质量百分比为铝(Al)6％，钒(V)4％，余量钛，记为Ti-6Al-4V；
所述Ti-6Al-4V钛合金材料的制备方法步骤如下：
S1、按钛90％，铝6％，钒4％的质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒，所称取的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒的纯度均满足质量百分数大于99.99％。
S2、把称取好的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒放入真空感应炉中，对真空感应炉抽真空至真空度为6.58×10-3Pa，然后充入氩气，在纯度大于99.99％氩气保护下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200～220A之间，电压保持在14V，翻转的次数为6次，使合金成分均匀；
S3、将得到的合金液在真空感应炉中进行保温处理，保温时间为15min，保温温度为1720℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭，即完成钛合金的制备。
实施例1
一种高强高韧α+β型钛合金材料，由金属元素钛、铝、钒组成，所述钛合金材料中各个金属元素质量百分比为铝(Al)7％，钒(V)6.5％，余量钛，记为Ti-7Al-6.5V；
所述Ti-7Al-6.5V钛合金材料的制备方法步骤如下：
S1、按钛86.5％，铝7％，钒6.5％的质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒，所称取的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒的纯度均满足质量百分数大于99.99％。
S2、把称取好的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒放入真空感应炉中，对真空感应炉抽真空至真空度为6.58×10-3Pa，然后充入氩气，在纯度大于99.99％氩气保护下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200～220A之间，电压保持在14V，翻转的次数为6次，使合金成分均匀；
S3、将得到的合金液在真空感应炉中进行保温处理，保温时间为15min，保温温度为1720℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭，即完成高强高韧α+β型钛合金的制备。
实施例2
一种高强高韧α+β型钛合金材料，由金属元素钛、铝、钒组成，所述钛合金材料中各个金属元素质量百分比为铝(Al)7％，钒(V)7％，余量钛，记为Ti-7Al-7V；
所述Ti-7Al-7V钛合金材料的制备方法步骤如下：
S1、按钛86％，铝7％，钒7％的质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒，所称取的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒的纯度均满足质量百分数大于99.99％。
S2、把称取好的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒放入真空感应炉中，对真空感应炉抽真空至真空度为6.58×10-3Pa，然后充入氩气，在纯度大于99.99％氩气保护下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200～220A之间，电压保持在14V，翻转的次数为6次，使合金成分均匀；
S3、将得到的合金液在真空感应炉中进行保温处理，保温时间为15min，保温温度为1720℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭，即完成高强高韧α+β型钛合金的制备。
采用电火花线切割技术将对比例、实施例1和实施例2制备好的钛合金材料根据测试表征要求切割成相应试样，打磨清洗干净后进行组织表征与性能测试。
组织表征：分别通过X射线衍射仪(XRD PANalytical)、光学显微镜(OM ZEISS)和电子背散射衍射仪对钛合金材料进行物相组成分析与组织结构表征。其中电子背散射分析采用ZEISS Auriga型场发射扫描电子显微镜结合Bruker EBSD探头对合金的相分布和相比计算进行了分析。
性能测试：分别通过硬度计(HVS-1000B)对切割好的合金试样表面进行维氏硬度测试，分别通过万能拉伸试验机(Instron 5960)对切割好的试样进行拉伸性能进行测试。
图1、图2、图3分别为对比例、实施例1、实施例2制备的钛合金材料的光镜图。通过光镜图可以看出，实施例1和实施例2相比于对比例，钛合金材料中两相交叉程度增加，两相组织分布更加均匀细小，大块状的α相消失，α相组织分布更加均匀细小，β相呈细小分布。而且随着β稳定元素V元素含量增加，组织中α相组织分布更加均匀细小。
图4、图5、图6分别为对比例、实施例1、实施例2制备的钛合金材料的EBSD图，图中可以看出，三个钛合金材料中均存在HCP结构的α相和BCC结构的β相。采用ZEISS Auriga型场发射扫描电子显微镜结合Bruker EBSD探头对对比例、实施例1、实施例2制备的钛合金材料的相分布和相比计算进行了分析，对比例制备的钛合金材料中HCP结构的α相含量为99.8％，BCC结构的β相含量为0.218％，实施例1制备的钛合金材料中HCP结构的α相含量为98.7％，BCC结构的β相含量为1.305％，实施例2制备的钛合金材料中HCP结构的α相含量为97.8％，BCC结构的β相含量为2.24％，β相含量分数随着β稳定元素V元素含量的增多呈现增加的趋势，β相含量增加有利于合金的强度和塑性的提升。
图7为对比例、实施例1及实施例2制备的钛合金材料的硬度柱状图。对比例的钛合金材料硬度为330HV，实施例1钛合金材料的硬度为372HV，实施例2钛合金材料的硬度为380HV，实施例1和实施例2的钛合金由于β相的增加和晶粒细化，导致相组织结构更加致密了，硬度有所提升。
图8为对比例、实施例1及实施例2制备的钛合金材料的拉伸应力-应变曲线图。对比例钛合金材料的拉伸强度值为975Mpa，延伸率为21％，实施例1钛合金材料的拉伸强度值为1150Mpa，延伸率为26％，实施例2钛合金材料的拉伸强度值为1118Mpa，延伸率为27％。实施例1和实施例2的钛合金材料比传统的Ti6Al4V钛合金(对比例)强度和延伸率均有升高，实施例1和实施例2的钛合金材料强塑性匹配良好，综合性能优异。
实施例3
一种高强高韧α+β型钛合金材料，由金属元素钛、铝、钒组成，所述钛合金材料中各个金属元素质量百分比为铝(Al)7％，钒(V)7.5％，余量钛，记为Ti-7Al-7.5V；
所述Ti-7Al-7.5V钛合金材料的制备方法步骤如下：
S1、按钛85.5％，铝7％，钒7.5％的质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒，所称取的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒的纯度均满足质量百分数大于99.99％。
S2、把称取好的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒放入真空感应炉中，对真空感应炉抽真空至真空度为6.58×10-3Pa，然后充入氩气，在纯度大于99.99％氩气保护下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在220～250A之间，电压保持在16V，翻转的次数为4次，使合金成分均匀；
S3、将得到的合金液在真空感应炉中进行保温处理，保温时间为20min，保温温度为1700℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭，即完成高强高韧α+β型钛合金的制备。
实施例4
一种高强高韧α+β型钛合金材料，由金属元素钛、铝、钒组成，所述钛合金材料中各个金属元素质量百分比为铝(Al)7％，钒(V)6.2％，余量钛，记为Ti-7Al-6.2V；
所述Ti-7Al-6.2V钛合金材料的制备方法步骤如下：
S1、按钛86.8％，铝7％，钒6.2％的质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒，所称取的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒的纯度均满足质量百分数大于99.99％。
S2、把称取好的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒放入真空感应炉中，对真空感应炉抽真空至真空度为6.58×10-3Pa，然后充入氩气，在纯度大于99.99％氩气保护下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在220～240A之间，电压保持在15V，翻转的次数为5次，使合金成分均匀；
S3、将得到的合金液在真空感应炉中进行保温处理，保温时间为16min，保温温度为1750℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭，即完成高强高韧α+β型钛合金的制备。

Claims (5)

1.一种高强高韧α+β型钛合金材料，由金属元素钛、铝、钒组成，其特征在于，所述钛合金材料中各个金属元素质量百分比为铝x％，钒y％，余量钛，记为Ti-xAl-yV，其中，x＝7，y＝6.5-7；铸态Ti-xAl-yV具有由密排六方结构的α相和体心立方结构的β相双相共存的晶体结构，抗拉强度大于1100MPa，延伸率不低于25％；
所述高强高韧α+β型钛合金材料的制备方法如下：
S1、按所述Ti-xAl-yV钛合金材料中各个金属元素质量百分比含量称取钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒；
S2、把称取好的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒放入真空感应炉中，对真空感应炉抽真空后充入保护气体，在保护气体下反复翻转熔炼，得到合金液；反复翻转熔炼的过程中，真空感应炉的电流保持在200～250A之间，电压保持在14～16V之间；
S3、将得到的合金液在真空感应炉中进行保温处理，保温时间为15～20min，保温温度为1700～1750℃；
S4、将保温过后的合金液进行浇铸，得到合金锭，即完成高强高韧α+β型钛合金的制备。
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧α+β型钛合金材料，其特征在于：所述钛合金材料中钒的质量百分比y％＝7％。
3.根据权利要求1所述的一种高强高韧α+β型钛合金材料，其特征在于：所述步骤S1所称取的钛颗粒、铝颗粒、钒颗粒的纯度均满足质量百分数大于99.99％。
4.根据权利要求1所述的一种高强高韧α+β型钛合金材料，其特征在于：所述步骤S2在保护气体下反复翻转熔炼的过程中，翻转的次数为4～6次。
5.根据权利要求1所述的一种高强高韧α+β型钛合金材料，其特征在于：所述步骤S2在保护气体下反复翻转熔炼的过程中，保护气体为纯度大于99.99％的氩气。
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