專利名稱：：一種低成本易生產(chǎn)β鈦合金及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明創(chuàng)造涉及一種P鈦合金，特別是一種比現(xiàn)有P鈦合金更廉價(jià)、易于工業(yè)化生產(chǎn)、且力學(xué)性能能基本保持同等水平的P鈦合金及其制造方法。
背景技術(shù)：
：鈦合金體系中，P鈦合金具有最高的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)和良好的冷加工性能，最早以軍工應(yīng)用為目的。而目前工業(yè)P鈦合金越來越廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，例如鈦眼鏡架、微型移動電視、導(dǎo)航儀、手機(jī)、高爾夫球桿、漁具以及最近幾年的人體植入材料等。然而為了穩(wěn)定P相在P型鈦合金中加入了大量Mo、Nb、Ta、V等難熔高密度元素，導(dǎo)致P鈦合金密度大、生產(chǎn)出無金屬夾雜的合格材料難，由于加入了價(jià)格昂貴的貴金屬致使P鈦合金成本居高不下。因此，P鈦合金即使在軍工領(lǐng)域也應(yīng)用有限，而民用領(lǐng)域應(yīng)用就更少了。為了使P鈦合金更廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域迫切需要開發(fā)低成本、易產(chǎn)業(yè)化、性能不降低的3鈦合金。表1列出了從P鈦合金發(fā)明到目前各種類型P鈦合金的成分和特征。No.l13合金是傳統(tǒng)的P鈦合金，它們有的已經(jīng)商品化，有的已經(jīng)被淘汰，即使商品化的合金應(yīng)用也不大。從表中可以看出，這類合金大都加入了難熔、高密度、高價(jià)格的Mo、Nb、Ta金屬，而工業(yè)生產(chǎn)鈦合金方法是真空自耗電弧熔煉法，一旦出現(xiàn)上述金屬夾雜，即使重熔十次也不能完全消除，因此它們的熔煉是個(gè)技術(shù)難關(guān)，這些合金的產(chǎn)品金屬夾雜是經(jīng)常產(chǎn)生的。各個(gè)合金的其它優(yōu)缺點(diǎn)就不一一評述了，但值得一提的是，其中No.9合金是美國近期開發(fā)的低成本P鈦合金，因?yàn)樗尤肓?.5%的Fe(鐵)，使得可以釆用Mo-Fe中間合金，從而降低了合金成本。但該合金存在的問題是，Mo夾雜還可能產(chǎn)生，更重要的是由于含有4.5%的Fe,合金出現(xiàn)P斑的可能性很大，在航空航天應(yīng)用是絕對不允許出現(xiàn)P斑的。如Ti-10V-2Fe-3Al合金出現(xiàn)富Fe的(3斑，使得生產(chǎn)者在生產(chǎn)過程中不得不花大量功夫來解決該問題。表中No.14~16合金是含有12%以上V的P鈦合金，它們的優(yōu)點(diǎn)是不含難熔高密度金屬，避免了金屬夾雜的產(chǎn)生，而且降低了合金密度。但是由于大量V的加入使合金的抗氧化性下降，很容易受到氧氣的玷污，致使氧化皮疏松，在熱加工和熱處理過程中金屬損耗大，成品的表面質(zhì)量和性能受影響，其中No.14合金尤為嚴(yán)重，盡管它有良好的冷加工性和低的合金密度，但它成本很高，因?yàn)樗娪眉兘饘賄或高V-Al加入。表中No.1727合金是近期開發(fā)的用于人體植入材料的鈦合金，由于不能加入V、Al等有害元素，同時(shí)需要具有與人骨相近的楊氏彈性模量，而加入了大量Nb、Ta、Hf、Zr等金屬，其中Nb、Ta、Hf是難熔、高密度、高價(jià)格金屬，顯然，第一個(gè)問題是用目前工業(yè)生產(chǎn)手段，難以使它們合金化，目前多處于實(shí)驗(yàn)室階段，解決它們合金化問題有待于新設(shè)備、新技術(shù)和新工藝的突破。此外，由于Nb、Ta是(3相低穩(wěn)定元素，表中合金的加入量不足以穩(wěn)定p組織，因此它們的固溶處理必須釆用冰水冷卻，使熱處理工藝復(fù)雜化。綜上所述，現(xiàn)有的p鈦合金各自存在著不同的缺點(diǎn)，人們期待著性能優(yōu)良、成本低廉、生產(chǎn)簡便的p鈦合金的誕生。表ie鈦合金表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有P鈦合金存在的上述問題，本發(fā)明創(chuàng)造的目的是提供成分簡單、成本低、熔煉及熱加工和熱處理簡便、力學(xué)性能好的P鈦合金。本發(fā)明創(chuàng)造解決其技術(shù)問題所釆用的技術(shù)方案一種低成本易生產(chǎn)13鈦合金，在Ti中加入由V、Cr、Al、Zr中的至少二種元素組成的合金，其重量百分比為V=6~9%、Cr=6~13%、Al=2.5~4.5%、Zr=4~12%,余量為Ti及不可避免的雜質(zhì)元素，其常規(guī)力學(xué)性能為ab=900~100MPa,cj)=40-65%,5=8~20%。一種低成本易生產(chǎn)P鈦合金的制造方法，釆用Al熱法生產(chǎn)的V-Cr-Al中間合金破碎成粒1~5mm與海綿Ti按鈦合金的成分含量進(jìn)行充分混合后壓成自耗電極，或者釆用金屬Cr、海綿Zr與海綿Ti按鈦合金的成分含量進(jìn)行充分混合后壓成自耗電極，在真空自耗電弧爐中經(jīng)二至三次熔煉成鑄錠，按常規(guī)P鈦合金鍛造和軋制工藝制成鈦合金材，對鈦合金材進(jìn)行固溶處理。本發(fā)明創(chuàng)造與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)和效果1、經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在Ti中加入9%以下的V,并有Cr、Al存在的情況下其抗氧化性大大增強(qiáng)，氧化層致密，在熱加工中不易脫落，在熱處理后表面光滑、成品精整量少、表面質(zhì)量良好。2、由于不含難熔、高密度元素，鑄錠熔煉十分簡易，不產(chǎn)生夾雜；V的熔點(diǎn)為1905°C,密度為6.1g/cm3,Cr的熔點(diǎn)為1875。C,密度為7.19g/cm3,A1的熔點(diǎn)為66(TC,密度為2.7g/cm3,可以看出它們的熔點(diǎn)、密度都遠(yuǎn)低于Mo(熔點(diǎn)為2615。C,密度為10.2g/cm3)、Nb(熔點(diǎn)為2468°C,密度為7.0g/cm3)6和Ta(熔點(diǎn)為2998°C，密度為16.6g/cm3);而合金元素用常規(guī)Al熱法生產(chǎn)的V-Cr-Al中間合金加入，其熔點(diǎn)約1650-1750°C,密度約6~7g/cm3,與Ti(熔點(diǎn)為1668°C,密度為4.5g/cm3)十分接近，從而使合金鑄錠熔煉十分方便，完全排除了金屬夾雜產(chǎn)生的可能，同時(shí)使合金密度保持在相對低的水平。3、由于所選用的元素除V外成本都比較低，而用Al熱法生產(chǎn)的含V中間合金取代純V使合金成本顯著下降，因此，本發(fā)明的P型鈦合金具有低成本易產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢。4、此外本合金由于加入足夠量的V、Cr等l3穩(wěn)定化元素，因此固溶處理無需水冷卻即能保持(3相組織，熱處理工藝簡單，方便應(yīng)用。5、合金中如不加入V、Al,則可成為較好的人體植入材料，可以替代目前多數(shù)的高Nb、Ta、Hf合金。6、優(yōu)化工藝生產(chǎn)的合金冷加工總變形量可達(dá)92%，具有優(yōu)良的冷加工性。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方案對本發(fā)明一種低成本易生產(chǎn)P鈦合金及其制造方法簡述如下實(shí)施例1:釆用Al熱法生產(chǎn)的V-Cr-Al中間合金破碎成粒1~5mm，其配入成分為6%V+10%Cr+3°/Al,與海綿Ti混合后壓制成自耗電極，在真空電弧中經(jīng)3次熔煉成鑄錠，經(jīng)鍛造軋制成①20隨棒材，并經(jīng)固溶處理后其力學(xué)性能為ob=910MPa,c]j=61%,5=20%,冷加工總變形量達(dá)92%。實(shí)施例2:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-Al,中間合金配比為7%V+9%Cr+3.5%A1,其力學(xué)性能為ob=920MPa，cp=60%,5=18%。實(shí)施例3:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-A1,中間合金配比為8%V+8%Cr+4%Al，其性能為ob=930MPa，cjj=50%,5=15%。實(shí)施例4:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-Al，中間合金配比為9%V+6%Cr+4.5%A1，其力學(xué)性倉g為ob=910MPa，cjj=55%,5=16%。實(shí)施例5:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-A1，中間合金配比為6%V+10%Cr+2.5%A1,其力學(xué)性能為cib=1000MPa,cjj=45%,5=10°/o。實(shí)施例6:與例1工藝相同，中間合金為V-Cr-Al，中間合金配比為7%V+8%Cr+4%Al，其力學(xué)性能為ob=960MPa，4=58%,5=12%。實(shí)施例7:與例l工藝相同，中間合金為V-Cr-Al,中間合金配比為9%V+7%Cr+4%Al,其力學(xué)性能為ob=920MPa,4)=62%,5=18%。時(shí)效后力學(xué)性能為ob=1300MPa,4)=15%,5=5%。實(shí)施例8:與例l工藝相同，中間合金為V-Cr-Al,中間合金配比為7°/。V+8.5%Cr+3%Al，其力學(xué)性能為ob=930MPa,c];=60°/。，5=18%。時(shí)效后力學(xué)性能為ob=1250MPa,少=16%,5=6%。實(shí)施例9:釆用粒度為1-8mm的海綿Zr、金屬Ci"與海綿Ti充分混合后壓成自耗電極，其配比為10%Cr+12%Zr+Ti余量，經(jīng)真空自耗電弧爐三次熔煉，按常規(guī)P鈦合金鍛造和軋制工藝制成O20mm棒材，經(jīng)固溶處理后，其力學(xué)性能為ob=950MPa，o0.2=880MPa，5=14%,c|j=45%，彈性模量為88GPa。實(shí)施例10:釆用實(shí)施例9相同工藝過程，合金配比為9%Cr+12°/。Zr+Ti余量，固溶處理后其力學(xué)性能為ob=930MPa,oQ.2=840MPa,5=15%,4=50%，彈性模量為88GPa。實(shí)施例11:采用實(shí)施例9相同工藝過程，合金配比為余量，固溶處理后其力學(xué)性能為ob=920MPa，5=16%,cj)=55%,彈性模量為88GPa。實(shí)施例12:釆用實(shí)施例9相同工藝過程，合金配比為余量，固溶處理后其力學(xué)性能為ob=910MPa,5=18%，cJj=55%，彈性模量為88GPa。實(shí)施例13:釆用實(shí)施例9相同工藝過程，合金配比為12%Cr+4°/。Zr+Ti余量，固溶處理后其力學(xué)性能為ob=950MPa,o。.2=880MPa,5=16%，cJj=50%,彈性模量為88GPa。實(shí)施例14:釆用實(shí)施例9相同工藝過程，合金配比為8%Cr+8%Zr+Ti余nCr+ll%Zr+Too.2=820MPa，8%Cr+ll%Zr+To0.2=820MPa,9量，固溶處理后其力學(xué)性能為ob=920MPa,o。.2=840MPa，5=17%，cj)=55%,彈性模量為88GPa。權(quán)利要求1、一種低成本易生產(chǎn)β鈦合金，其特征是在Ti中加入由V、Cr、Al、Zr中的至少二種元素組成的合金，其重量百分比為V＝69％、Cr＝6～12％、Al＝2.5～4.5％、Zr＝4～12％，余量為Ti及不可避免的雜質(zhì)元素；其力學(xué)性能為σb＝900～1000MPa，φ＝40～65％，δ＝8～20％。2、如權(quán)刑要求1所述的一種低成本易生產(chǎn)P鈦合金的制造方法，其特征是釆用Al熱法生產(chǎn)的V-Cr-Al中間合金破碎成粒1~5mm與海綿Ti按鈥合金的成分含量進(jìn)行充分混合后壓成自耗電極，或者釆用金屬Cr、海綿Zr與海綿Ti按鈦合金的成分含量進(jìn)行充分混合后壓成自耗電極，在真空自耗電弧爐中經(jīng)二至三次熔煉成鑄錠，按常規(guī)P鈦合金鍛造和軋制工藝制成鈦合金材，對鈦合金材進(jìn)行固溶處理。全文摘要本發(fā)明創(chuàng)造公開了一種低成本易生產(chǎn)β鈦合金及其制造方法，在Ti中加入由V、Cr、Al、Zr中的至少二種元素組成的合金，其重量百分比為V＝6～9％、Cr＝6～12％、Al＝2.5～4.5％、Zr＝4～12％，余量為Ti及不可避免的雜質(zhì)元素；其力學(xué)性能為σ_b＝900～1000MPa，φ＝40～65％，δ＝8～20％。采用Al熱法生產(chǎn)的V-Cr-Al中間合金破碎成粒1～5mm或者金屬Cr、海綿Zr與海綿Ti混合后壓成自耗電極，在真空自耗電弧爐中經(jīng)二至三次熔煉成鑄錠，按常規(guī)工藝制成鈦合金材，對鈦合金材進(jìn)行固溶處理。本發(fā)明由于不含貴重金屬元素，不僅更易于熔煉和熱加工，而且大大降低成本，在民用領(lǐng)域更易推廣。文檔編號C22C14/00GK101624668SQ20091010150公開日2010年1月13日申請日期2009年8月5日優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日發(fā)明者方平偉,胡明晶,陳錦超申請人:浙江民泰鈦合金有限公司