含Cr和Mn元素的鈦合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種含Cr和Mn元素的鈦合金，主要元素組分為5.0~7.0wt%鋁、2.0~4.0wt%鉻、0.5~1.5wt%錳、0~0.08wt%氧、0~0.01wt%碳、0~0.01wt%氮和0~0.001wt%氫，余量為鈦，鈦合金為α型組織合金。本發(fā)明還公開(kāi)了一種鈦合金制備方法，首先將海綿鈦、含鋁金屬、純鉻、純錳進(jìn)行配料，將配料進(jìn)行反復(fù)熔煉，得到含鈦合金熔體，完成熔煉后，經(jīng)凝固制成鈦合金鑄錠，再進(jìn)行壓力加工成型，制成鈦合金坯材，再經(jīng)過(guò)退火處理后，最終得到鈦合金型材產(chǎn)品。本發(fā)明制備的α型鈦合金力學(xué)性能好，特別是比強(qiáng)度高，合金化采用的金屬材料成本較低，具有很好的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】含Cr和Mn元素的鈦合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦合金及其制備工藝，特別是涉及一種α型鈦合金及其制備工藝，應(yīng)用于輕量化、高比強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕特種金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦?zhàn)鳛橐环N金屬材料，雖然比銅、鐵、鋁出現(xiàn)的晚些，但其具有密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、無(wú)磁以及良好的生物相容性等優(yōu)異的綜合性能。此外，鈦在自然界分布很廣，鈦在地殼中的豐度為8.6 g/kg，在所有元素中排第九位，在金屬元素中僅次于鋁、鐵和鎂，居第四位，比常見(jiàn)的銅、鉛、鋅金屬儲(chǔ)量的總和還多，可以說(shuō)是資源豐富，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。
[0003]鈦合金按退火后的組織特點(diǎn)可以分為α、(α + β )和β型鈦合金三大類，其中，α型鈦合金密度小，可熱處理強(qiáng)化，有良好的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性以及優(yōu)異的室溫、超低溫和高溫特性，同時(shí)焊接性能好，因此而得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]國(guó)內(nèi)鈦合金研發(fā)方面，一直重視新型鈦合金的研制，之前重點(diǎn)是仿制，目前以創(chuàng)新研制為主。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，將強(qiáng)度和韌性一同考慮在內(nèi)的損傷容限設(shè)計(jì)成為鈦及鈦合金材料應(yīng)用時(shí)備受關(guān)注的問(wèn)題。制備出強(qiáng)度更高、韌性更好的鈦合金材料是不斷追求的目標(biāo)。在諸多改善和提高鈦合金強(qiáng)韌化的技術(shù)手段中合金化是最根本的手段，也是開(kāi)發(fā)新型鈦合金的重要方法。然而目前α鈦合金的合金化元素的選擇卻一直局限于少數(shù)幾種元素，如Sn、Mo、Zr、V、等，對(duì)于新型合金元素的嘗試較少，現(xiàn)有的α鈦合金比強(qiáng)度和耐腐蝕性還不夠理想，現(xiàn)有的α鈦合金大部分標(biāo)號(hào)合金產(chǎn)品制備成本較高，因此不斷嘗試不同種類的合金元素，進(jìn)而研究其對(duì)鈦合金的組織和性能的影響規(guī)律，是新型α鈦合金研制方面需要著重解決的問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種含Cr和Mn元素的鈦合金及其制備方法，尤其是本發(fā)明含Cr和Mn元素的α型鈦合金力學(xué)性能好，特別是比強(qiáng)度高，合金化采用的金屬材料成本較低，產(chǎn)業(yè)化價(jià)值顯著，具有很好的應(yīng)用前景。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種含Cr和Mn元素的鈦合金，按照合金元素組分質(zhì)量百分比，鈦合金的主要元素組分為 5.0~7.0wt% 的鋁、2.0~4.0wt% 的鉻、0.5~1.5wt% 的錳、0-θ.08wt% 的氧、0-θ.01wt% 的碳、(T0.01wt%的氮和(T0.001wt%的氫，余量為鈦，鈦合金為具有α型退火組織的合金。
[0007] 本發(fā)明含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，首先將海綿鈦、含鋁金屬、純鉻、純錳四種原料配料形成混合原料，然后將混合原料進(jìn)行反復(fù)熔煉，得到含鈦合金熔體，完成熔煉后，鈦合金熔體經(jīng)凝固制成鈦合金鑄錠，再對(duì)鈦合金鑄錠進(jìn)行壓力加工成型，制成鈦合金坯材，再將鈦合金坯材經(jīng)過(guò)退火處理后，最終得到按照合金元素組分質(zhì)量含量的包含5.0~7.0wt% 的鋁、2.0~4.0wt% 的鉻、0.5~1.5wt% 的猛、0~0.08wt% 的氧、0~0.01wt% 的碳、(T0.01wt%的氮和(H).001wt%的氫的鈦合金型材產(chǎn)品。
[0008]作為上述鈦合金的制備方法的一種優(yōu)選的技術(shù)方案，采用純鋁作為含鋁金屬，將混合原料進(jìn)行保溫預(yù)處理，然后將混合原料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉至少2次，再經(jīng)凝固制成鈦合金鑄錠，對(duì)鈦合金鑄錠進(jìn)行軋制，制成厚度為6~7mm的鈦合金板坯，再將鈦合金板坯經(jīng)過(guò)退火處理后，最終得到鈦合金板材產(chǎn)品。進(jìn)一步優(yōu)選將混合原料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉至少4次。再進(jìn)一步優(yōu)選將混合原料進(jìn)行保溫預(yù)處理時(shí)，控制保溫溫度為150°C，控制保溫時(shí)間為12小時(shí)；對(duì)鈦合金鑄錠進(jìn)行軋制時(shí)，將鈦合金鑄錠加熱到7700C，并將鈦合金鑄錠在橫列式軋機(jī)上軋制成鈦合金坯材。
[0009]作為上述鈦合金的制備方法的另一種優(yōu)選的技術(shù)方案，采用鈦鋁中間合金作為含鋁金屬，將混合原料制成真空自耗電極，通電后，依靠電弧的熱量將電極熔化，再經(jīng)凝固制成圓形的鈦合金鑄錠，對(duì)鈦合金鑄錠進(jìn)行鍛造，制成鈦合金棒坯，再將鈦合金棒坯進(jìn)行軋制得到鈦合金棒材，然后將鈦合金棒材經(jīng)過(guò)退火處理后，最終得到鈦合金棒材產(chǎn)品。在凝固制成圓形的鈦合金鑄錠后，優(yōu)選再將鈦合金鑄錠加熱到1050°C開(kāi)坯鍛造成Φ45πιπι的軋制鈦合金棒還，然后將鈦合金棒還加熱到750°C,再在橫列式軋機(jī)上軋制成Φ20ι?πι的鈦合金棒材。在制備電極時(shí)，優(yōu)選采用擠壓法將混合原料壓制成電極塊，并將電極塊進(jìn)行連接形成一體作為真空自耗電極。進(jìn)一步優(yōu)選在真空-充氬箱內(nèi)用電弧焊將電極塊焊接在一起制成真空自耗電極。
[0010]作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，在制成鈦合金坯材后，再對(duì)鈦合金坯材進(jìn)行真空退火的熱處理，控制退火溫度為750°c，控制保溫時(shí)間為1.5h，冷卻方式采用空冷，最終制成具有α型退火組織的鈦合金型材產(chǎn)品。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明含Cr和Mn元素的鈦合金，與現(xiàn)有的添加Sn、Mo、Zr或V元素的鈦合金相比，具有更高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，比強(qiáng)度高、綜合力學(xué)性能好，能適用于更加惡劣的環(huán)境，高溫穩(wěn)定性好；
2.本發(fā)明含Cr和Mn元素的鈦合金的制備工藝操作簡(jiǎn)便，易于控制，成產(chǎn)成本低。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
本實(shí)施例中，將市售的海綿鈦、純鋁、純鉻、純錳，按表1的成分配比進(jìn)行配料，在普通的箱式電阻爐中預(yù)處理，控制預(yù)熱保溫溫度為150°c，控制預(yù)熱保溫時(shí)間為12小時(shí)，然后再置于分瓣式水冷銅坩堝中反復(fù)熔煉4次煉制成鑄錠，所得鑄錠加熱到770°C，在橫列式軋機(jī)上軋制成厚度為6mm的板材。軋制得到的板材按表2的熱處理制度進(jìn)行熱處理，熱處理方式采用真空退火的熱處理工藝，退火溫度為750°C，保溫時(shí)間為1.5h，冷卻方式為空冷，熱處理后，取樣并依照國(guó)標(biāo)GB/T228-2002的要求進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試，其力學(xué)性能見(jiàn)表2。
【權(quán)利要求】
1.一種含Cr和Mn元素的鈦合金，其特征在于:按照合金元素組分質(zhì)量百分比，鈦合金的主要元素組分為5.0-7.0wt%的鋁、2.0-4.0wt%的鉻、0.5~1.5wt%的錳、0-θ.08wt%的氧、(T0.01wt%的碳、(T0.01wt%的氮和(T0.001wt%的氫，余量為鈦，鈦合金為具有α型退火組織的合金。
2.—種權(quán)利要求1所述含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，其特征在于:首先將海綿鈦、含鋁金屬、純鉻、純錳四種原料配料形成混合原料，然后將混合原料進(jìn)行反復(fù)熔煉，得到含鈦合金熔體，完成熔煉后，鈦合金熔體經(jīng)凝固制成鈦合金鑄錠，再對(duì)鈦合金鑄錠進(jìn)行壓力加工成型，制成鈦合金坯材，再將鈦合金坯材經(jīng)過(guò)退火處理后，最終得到按照合金元素組分質(zhì)量含量的包含5.0~7.0wt%的鋁、2.0~4.0wt%的鉻、0.5~1.5wt%的錳、0-θ.08wt%的氧、(T0.01wt%的碳、(T0.01wt%的氮和(T0.001wt%的氫的鈦合金型材產(chǎn)品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，其特征在于:采用純鋁作為含鋁金屬，將混合原料進(jìn)行保溫預(yù)處理，然后將混合原料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉至少2次，再經(jīng)凝固制成鈦合金鑄錠，對(duì)鈦合金鑄錠進(jìn)行軋制，制成厚度為6~7mm的鈦合金板坯，再將鈦合金板坯經(jīng)過(guò)退火處理后，最終得到鈦合金板材產(chǎn)品。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，其特征在于:將混合原料置于分瓣式水冷銅坩堝中，反復(fù)熔煉至少4次。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，其特征在于:將混合原料進(jìn)行保溫預(yù)處理時(shí)，控制保溫溫度為150°C，控制保溫時(shí)間為12小時(shí)；對(duì)鈦合金鑄錠進(jìn)行軋制時(shí)，將鈦合金鑄錠加熱到770V，并將鈦合金鑄錠在橫列式軋機(jī)上軋制成鈦合金坯材。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，其特征在于:采用鈦鋁中間合金作為含鋁金屬，將混合原料制成真空自耗電極，通電后，依靠電弧的熱量將電極熔化，再經(jīng)凝固制成圓形的鈦合金鑄錠，對(duì)鈦合金鑄錠進(jìn)行鍛造，制成鈦合金棒坯，再將鈦合金棒坯進(jìn)行軋制得到鈦合金棒材，然后將鈦合金棒材經(jīng)過(guò)退火處理后，最終得到鈦合金棒材產(chǎn)品。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，其特征在于:凝固制成圓形的鈦合金鑄錠后，再將鈦合金鑄錠加熱到1050°C開(kāi)坯鍛造成Φ 45mm的軋制鈦合金棒坯，然后將鈦合金棒還加熱到750°C,再在橫列式軋機(jī)上軋制成Φ20ι?πι的鈦合金棒材。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，其特征在于:制備電極時(shí)，采用擠壓法將混合原料壓制成電極塊，并將電極塊進(jìn)行連接形成一體作為真空自耗電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，其特征在于:在真空-充氬箱內(nèi)用電弧焊將電極塊焊接在一起制成真空自耗電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求2~9中任意一項(xiàng)所述含Cr和Mn元素的鈦合金的制備方法，其特征在于:制成鈦合金坯材后，再對(duì)鈦合金坯材進(jìn)行真空退火的熱處理，控制退火溫度為750°C，控制保溫時(shí)間為1.5h，冷卻方式采用空冷，最終制成具有α型退火組織的鈦合金型材產(chǎn)品。
【文檔編號(hào)】C22C14/00GK104073684SQ201410125421
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】李重河, 賀進(jìn), 魯雄剛, 江濤, 朱凱亮, 張捷宇, 汪宏斌 申請(qǐng)人:上海大學(xué)