一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：Al1.5～3.5%，Nb4.5～6.5%，Mo1.2～3%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明鈦合金在20K低溫條件下的力學(xué)性能滿足：Rm≥1400MPa，Rp0.2≥1100MPa，A≥20%，比傳統(tǒng)的低溫鈦合金具有更加優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配，滿足高性能火箭、航天器及宇宙飛船中低溫部件的相關(guān)要求。
【專利說(shuō)明】一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈦合金【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金。
【背景技術(shù)】
[0002]沒有一種航天火箭是不使用鈦及其合金的，如發(fā)動(dòng)機(jī)吊架構(gòu)件、管路系統(tǒng)、低溫液體儲(chǔ)存箱、液氫輸送泵葉輪和托架等，可以說(shuō)，鈦及其合金始終受到航天和火箭技術(shù)裝備研制人員的關(guān)注。為了滿足高性能火箭、航天器及宇宙飛船中低溫部件壽命安全服役的要求，使用的鈦合金不但應(yīng)具有高的低溫強(qiáng)塑性匹配，還應(yīng)當(dāng)具有良好的室溫塑性以利于加工。
[0003]綜合考慮這些要求，可在液氫溫度(20K)長(zhǎng)期服役的低溫鈦合金一般選用室溫冷加工性能較好的α型和近α型合金。日本、美國(guó)和前蘇聯(lián)等國(guó)家對(duì)不同類型低溫鈦合金的安全使用溫度都進(jìn)行了規(guī)定，α型鈦合金TA7EL1、AT2、0T4、α+β型鈦合金TC4ELI均可以在20Κ下安全使用，但ΤΑ7和TC4合金成分必須控制為超低間隙級(jí)，因?yàn)?、C、N等間隙元素含量的增加會(huì)大大降低鈦合金低溫?cái)嗔秧g性及塑性，導(dǎo)致合金低溫性能對(duì)氧含量敏感?，F(xiàn)有美系低溫鈦合金TA7合金由于添加了 Sn元素引發(fā)材料脆性增加，TC4合金在室溫下冷作硬化率高，兩種合金的冷加工性能較差，眾所周知均無(wú)法采用常規(guī)冷加工方式制備管材。俄系α型鈦合金ΑΤ2、0Τ4由于不含Al元素，盡管該系列合金在低溫具有高的強(qiáng)度和滿意的沖擊韌性相匹配，且這些合金對(duì)氧含量敏感性較小，但是該系合金在20Κ時(shí)的塑性較低，僅為 11% ~14%。
[0004]因此，亟需研發(fā)一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，以滿足高性能火箭、航天器及宇宙飛船中低溫部件的相關(guān)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金。該鈦合金在20Κ低溫條件下的力學(xué)性能滿足:Rm≥1400MPa, Rp0.2≥IlOOMPa,A ≥ 20%,比傳統(tǒng)的低溫鈦合金具有更加優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配，滿足高性能火箭、航天器及宇宙飛船中低溫部件的相關(guān)要求。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A11.5~3.5%, Nb4.5~6.5%, Mol.2~3%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)；所述低溫高強(qiáng)兩相鈦合金是指該鈦合金在溫度為20K條件下的力學(xué)性能滿足:Rm≥ 1400MPa, Rp0 2≥11OOMPa，A≥ 20%。
[0007]上述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:All.5%，Nb5%, Mol.2%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
[0008]上述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:All.5%，Nb4.5%，Mo3%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
[0009]上述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A12.5%，Nb5.5%，Mol.7%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。[0010]上述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A13.5%，Nb6.5%，Mo2.5%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
[0011]上述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:All.5%，Nb5%, Mo2.5%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
[0012]上述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A13.5%，Nb5%, Mo2.1%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
[0013]本發(fā)明低溫高強(qiáng)鈦合金的制備方法為鈦合金的常規(guī)制備方法:首先根據(jù)需要選擇合適的原料，按設(shè)計(jì)成分混合壓制電極，再用常規(guī)真空自耗電弧爐經(jīng)二次或三次熔煉得到合金鑄錠，然后將合金鑄錠扒皮并切去冒口和尾端后，在液壓鍛造機(jī)、鍛錘等自由鍛造設(shè)備上進(jìn)行開坯鍛造和多火次反復(fù)鐓拔鍛造，最后在熱軋機(jī)、冷軋機(jī)等軋制設(shè)備上進(jìn)行多道次軋制得到棒材或板材。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:
[0015]1、本發(fā)明鈦合金中成分鋁、鈮、鑰的總含量控制在13%以內(nèi)，1.5~3.5%的鋁含量和1.2~3%的鑰含量能夠有效保證鈦合金具有優(yōu)良的室溫強(qiáng)度，并且鋁、鈮、鑰三種合金元素的合理搭配，能夠使鈦合金具有298K室溫條件下19%以上的優(yōu)良塑性以及良好的冷熱加工性能，適宜于采用常規(guī)冷加工方式制造棒材、板材和管材。
[0016]2、本發(fā)明鈦合金中鈮的比例為4.5~6.5%，鑰的比例為1.2~3%，該比例是發(fā)明人經(jīng)過大量試驗(yàn)后優(yōu)化得出的。4.5~6.5%的鈮含量和1.2~3%的鑰含量能夠使鈦合金的低溫性能比現(xiàn)有低溫鈦合金具有更加優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配，其20K低溫條件下的塑性高于20%。
[0017]3、本發(fā)明鈦合金中4`.5%~6.5%的鈮含量能夠使鈦合金對(duì)氧含量敏感性變小，在高氧含量下仍可正常使用。
[0018]4、本發(fā)明鈦合金在溫度為20K條件下的力學(xué)性能滿足:Rm≤1400MPa,Rp0.2≤IIOOMPa, A≤20%,比傳統(tǒng)的低溫鈦合金具有更加優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配，滿足高性能火箭、航天器及宇宙飛船中低溫部件的相關(guān)要求。
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明低溫高強(qiáng)兩相鈦合金由以下質(zhì)量百分比的成分組成:All.5~3.5%，Nb4.5~6.5%，Mol.2~3%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。該鈦合金所涉及的原料包括鋁鑰合金、鈦鈮合金、鋁豆和海綿鈦。具體制備過程中，首先根據(jù)需要選擇合適的原料，按設(shè)計(jì)成分混合壓制電極，再在真空自耗電弧爐中經(jīng)二次或三次常規(guī)熔煉得到合金鑄錠，然后將合金鑄錠扒皮并切去冒口和尾端后，在液壓鍛造機(jī)、鍛錘等自由鍛造設(shè)備上進(jìn)行開坯鍛造和多火次反復(fù)鐓拔鍛造，最后在熱軋機(jī)、冷軋機(jī)等軋制設(shè)備上進(jìn)行多道次軋制得到棒材或板材。所述開坯鍛造的加熱溫度為1050°C~1150°C，反復(fù)墩拔鍛造的加熱溫度為850°C~980°C，熱軋的加熱溫度為750~900°C，熱軋的道次變形量30%~70%，冷軋的道次變形量10%~35%。本發(fā)明鈦合金在20K低溫條件下的力學(xué)性能滿足:Rm≤1400MPa,Rp0.2≤IIOOMPa, A≤20%,比傳統(tǒng)的低溫鈦合金具有更加優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配，滿足高性能火箭、航天器及宇宙飛船中低溫部件的相關(guān)要求。[0021]實(shí)施例1
[0022]本實(shí)施例鈦合金的名義成分為T1-1.5Al-5Nb_l.2Mo，即按重量百分比計(jì)為All.5%，Nb5%, Mol.2%，余量為鈦及不可避免的雜質(zhì)。
[0023]本實(shí)施例鈦合金的制備方法為:按名義成分T1-1.5Al-5Nb-l.2Mo配料，原材料采用A1-60MO中間合金、T1-50Nb中間合金、鋁豆和零級(jí)海綿鈦。原材料混合均勻后壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經(jīng)扒皮并切除冒口和尾端后，在自由鍛設(shè)備上于1100°C進(jìn)行開坯鍛造，然后在溫度為900°C，道次變形量為60%的條件下進(jìn)行反復(fù)鐓拔鍛造，最后在溫度為860°C，道次變形量為50%的條件下進(jìn)行多道次熱軋，最終得到厚度為2mm的板材。 [0024]本實(shí)施例鈦合金板材經(jīng)900°C /Ih + 800°C /3h熱處理后的298K室溫性能為:Rm=713MPa, Rp0 2=592MPa, A= 19% ;20K 低溫性能為=R111=I457MPa, Rp0 2=1257MPa, A=24%
[0025]實(shí)施例2
[0026]本實(shí)施例鈦合金的名義成分為T1-1.5A1-4.5Nb_3Mo，即按重量百分比計(jì)為All.5%，Nb4.5%，Mo3%，余量為鈦及不可避免的雜質(zhì)。
[0027]本實(shí)施例鈦合金的制備方法為:按名義成分T1-1.5A1-4.5Nb_3Mo配料，原材料采用A1-55MO中間合金、T1-50Nb中間合金、鋁豆和零級(jí)海綿鈦。原材料混合均勻后壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經(jīng)扒皮并切除冒口和尾端后，在自由鍛設(shè)備上經(jīng)1080°C開坯鍛造，然后在溫度為9298K，道次變形量為55%的條件下進(jìn)行反復(fù)鐓拔鍛造，最后在溫度為840°C，道次變形量為60%的條件下進(jìn)行多道次熱軋，最終得到厚度為2mm的板材。
[0028]本實(shí)施例鈦合金板材經(jīng)800°C /Ih + 700°C /3h熱處理后的298K室溫性能為:Rm=603MPa, Rp0 2=496MPa, A=21% ;20K 低溫拉伸性能為:1^=1472?^?, Rp0 2=1213MPa, A=26%。
[0029]實(shí)施例3
[0030]本實(shí)施例鈦合金的名義成分為T1-2.5Al-5.5Nb_l.7Mo，即按重量百分比計(jì)為A12.5%，Nb5.5%，Mol.7%，余量為鈦及不可避免的雜質(zhì)。
[0031]本實(shí)施例鈦合金的制備方法為:按名義成分T1-2.5A1-5.5Nb_l.7Mo配料，原材料采用A1-60MO中間合金、T1-46Nb中間合金、鋁豆和零級(jí)海綿鈦。原材料混合均勻后壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經(jīng)扒皮并切除冒口和尾端后，在自由鍛設(shè)備上經(jīng)1100°C開坯鍛造，然后在溫度為880°C，道次變形量為50%的條件下進(jìn)行反復(fù)鐓拔鍛造，最后在溫度為860°C，道次變形量為60%的條件下進(jìn)行多道次熱軋，最終得到厚度為2mm的板材。
[0032]本實(shí)施例鈦合金板材經(jīng)850°C /Ih + 750°C /3h熱處理后的298K室溫性能為:Rm=670MPa, Rp0 2=560MPa, A=24% ;20K 低溫拉伸性能為=Rni=HgiMPa, Rp0 2=1286MPa, A=21%。
[0033]實(shí)施例4
[0034]本實(shí)施例鈦合金的名義成分為T1-3.5Al-6.5Nb_2.5Mo，即按重量百分比計(jì)為A13.5%，Nb6.5%，Mo2.5%，余量為鈦及不可避免的雜質(zhì)。
[0035]本實(shí)施例鈦合金的制備方法為:按名義成分T1-3.5A1-6.5Nb_2.5Mo配料，原材料采用A1-60MO中間合金、T1-46Nb中間合金、鋁豆和零級(jí)海綿鈦。原材料混合均勻后壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經(jīng)扒皮并切除冒口和尾端后，在自由鍛設(shè)備上經(jīng)1080°C開坯鍛造，然后在溫度為900°C，道次變形量為50%的條件下進(jìn)行反復(fù)鐓拔鍛造，最后在溫度為850°C，道次變形量為55%的條件下進(jìn)行多道次熱軋，最終得到截面直徑為2mm的棒材。
[0036] 本實(shí)施例鈦合金棒材經(jīng)900°C /Ih + 810°C /3h熱處理后的298K室溫性能為:Rm=720MPa, Rp0 2=610MPa, A= 19% ;20K 低溫拉伸性能為=Rni=ISlOMPa, Rp0 2=1372MPa, A=20%。
[0037]實(shí)施例5
[0038]本實(shí)施例鈦合金的名義成分為T1-1.5Al-5Nb-2.5Mo，即按重量百分比計(jì)為All.5%，Nb5%, Mo2.5%，余量為鈦及不可避免的雜質(zhì)。原料選用為:Α1_60Μο合金、Ti_46Nb合金、鋁豆、O級(jí)海綿鈦。
[0039]本實(shí)施例鈦合金的制備方法為:按名義成分T1-1.5Al-5Nb-2.5Mo配料，原材料采用A1-60MO中間合金、T1-46Nb中間合金、鋁豆和零級(jí)海綿鈦。原材料混合均勻后壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經(jīng)扒皮并切除冒口和尾端后，在自由鍛設(shè)備上經(jīng)1080~1100°C開坯鍛造，然后在溫度為900°C，道次變形量為50%的條件下進(jìn)行反復(fù)鐓拔鍛造，之后在溫度為840°C，道次變形量為50%的條件下進(jìn)行多道次熱軋，最后在道次變形量35%的條件下進(jìn)行多道次冷軋，最終得到截面直徑為2mm的棒材。
[0040]本實(shí)施例鈦合金棒材經(jīng)850°C /Ih + 780°C /3h熱處理后的298K室溫性能為:Rm=710MPa, Rp0 2=590MPa, A=20% ;20K 低溫拉伸性能為:1^=1475?^?, Rp0 2=1186MPa, A=26%。
[0041]實(shí)施例6
[0042]本實(shí)施例鈦合金的名義成分為T1-3.5Al-5Nb-2.1Mo，即按重量百分比計(jì)為A13.5%，Nb5%, Mo2.1%，余量為鈦及不可避免的雜質(zhì)。原料選用為:Α1_60Μο合金、Ti_46Nb合金、鋁豆、O級(jí)海綿鈦。
[0043]本實(shí)施例鈦合金的制備方法為:按名義成分T1-3.5Al-5Nb-2.1Mo配料，原材料采用A1-60MO中間合金、T1-46Nb中間合金、鋁豆和零級(jí)海綿鈦。原材料混合均勻后壓制電極，用真空自耗電弧爐熔煉三次獲得合金鑄錠。合金鑄錠經(jīng)扒皮并切除冒口和尾端后，在自由鍛設(shè)備上經(jīng)1080~1100°C開坯鍛造，然后在溫度為880°C，道次變形量為55%的條件下進(jìn)行反復(fù)鐓拔鍛造，之后在溫度為860°C，道次變形量為60%的條件下進(jìn)行多道次熱軋，最后在道次變形量10%的條件下進(jìn)行多道次冷軋，最終得到截面直徑為2mm的棒材。
[0044]本實(shí)施例鈦合金棒材經(jīng)8298K/lh + 750 °C /3h熱處理后的298K室溫性能為:Rm=610MPa, Rp0 2=480MPa, A=22% ;20K 低溫拉伸性能為=Rni=HlOMPa, Rp0 2=1210MPa, A=23%。
[0045]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:All.5%~3.5%，Nb4.5%~6.5%，Mol.2%~3%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)；所述低溫高強(qiáng)兩相鈦合金是指該鈦合金在溫度為20K條件下的力學(xué)性能滿足:Rm≥1400MPa, Rp0.2≥1lOOMPa,A ≥ 20%ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A11.5%，Nb5%, Mol.2%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A11.5%，Nb4.5%，Mo3%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A12.5%，Nb5.5%，Mol.7%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A13.5%，Nb6.5%，Mo2.5%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A11.5%，Nb5%, Mo2.5%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫高強(qiáng)兩相鈦合金，其特征在于 ，由以下質(zhì)量百分比的成分組成:A13.5%，Nb5%, Mo2.1%，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
【文檔編號(hào)】C22C14/00GK103627928SQ201310676092
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】葛鵬, 杜宇, 楊海瑛, 劉偉 申請(qǐng)人:西北有色金屬研究院