一种高强度低成本耐蚀钛合金
文献发布时间:2023-06-19 11:02:01
技术领域
本发明涉及钛及钛合金合金化、腐蚀性能与力学性能提升,属于有色金属材料加工、腐蚀防护与合金化技术领域,尤其涉及一种高强度低成本耐蚀钛合金。
背景技术
目前,耐蚀钛合金在石油、化工、冶金、电力、海水淡化、海洋工程、潜艇舰船乃至航空航天领域都有广泛应用,所有的耐蚀钛合金都存在一个共同的不足就是,抗拉强度较低,作为耐蚀、结构合金使用时,不能满足市场和用户的要求。为满足高强、耐蚀环境的使用要求,国内近年在中高强度TC4合金的基础上开发出TC22和TC23合金,TC22合金是在TC4合金的基础上添加0.05%的贵金属钯以提高其耐蚀性,TC23合金是在TC4合金的基础上添加0.1%钌以提高其耐蚀性。TC4合金的名义成分为Ti-6Al-4V,每吨TC4合金中含有稀有金属钒约40kg,使TC4合金的原料成本较工业纯钛提高150%,TC22合金中添加贵金属钯使合金成本较工业纯钛进一步增加100%;TC23合金添加贵金属钌也将使合金成本较工业纯钛进一步增加60%。目前,市场上海绵钛的销售价格约为7万元/吨,而高强耐蚀钛合金制品的销售价格超过100万元/吨,高昂的原料成本和高昂的制造成本严重制约该合金的生产、加工和应用。高强耐蚀结构合金的研发方向是:降低合金中的钒含量,用廉价合金元素替代贵金属钯、钌,开发无钯、低钌甚至无钌的高强度、低成本钛合金,满足耐蚀结构合金的使用要求。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足,提供一种高强度低成本耐蚀钛合金。
上述目的是通过下述方案实现的:本发明介绍了一种高强度低成本耐蚀钛合金,该合金通过复合添加V、Cr、Co、Ni、Mo、Nb、Ta元素,降低合金α(Ti)/β(Ti)转变温度,扩大合金β相区,提高合金高温塑性,改善合金热加工性能。合金在室温状态下的相组成依加工工艺和热处理工艺不同而不同,β(Ti)分数在20%-50%之间。
铝是α(Ti)稳定元素,能够大量固溶于α相,扩大α相区,提高合金强度。复合添加β(Ti)稳定元素V、Cr、Co、Ni、Mo、Nb、Ta,通过β(Ti)稳定元素固溶入β(Ti)相,对合金起到固溶强化作用,提高合金强度。β(Ti)相稳定元素V、Cr、Co、Ni、Mo、Nb、Ta通过高温冷却时的β(Ti)/α(Ti)转变析出,对合金起到析出强化作用,进一步提高合金强度。
添加合金元素B能与合金基体钛形成高硬度、高熔点的TiB
少量的稀土元素Y以固溶形式存在于合金基体中,能够细化合金铸锭组织,提高合金再结晶温度,对合金起到一定的强化作用,大部分以稀土氧化物Y
通过上述复合添加合金元素,并辅适当的热处理工艺,使合金的强度提高60%-100%。并使合金具有良好的综合性能,有良好的塑性、韧性、组织稳定性和良好的热加工性能,焊接性能优良。
通过复合添加元素Co、Cr、Ni或者元素Mo、Co、Cr、Ni, 在合金表面形成稳定的、牢固的、不动态的NiO、Cr
通过复合添加低价金属Mo、Nb、Ta、Co部分替代高价金属V,使合金原料成本降低50000元/吨。通过复合添加低价金属Co、Cr、Ni替代贵金属Pd和Ru或者部分替代贵金属Ru,使合金贵金属原料成本降低100000元/吨。通过多组元复合添加低价金属元素替代高价金属和贵金属,综合降低原料成本150000元/吨。
本发明通过多元合金化和微量合金化,净化合金基体,固溶强化、细晶强化、沉淀强化合金基体,提高合金强度和断裂韧性,使合金的强度提高60%-100%。通过复合添加合金元素Mo、Co、Cr、Ni, 在合金表面形成稳定的、牢固的、不动态的NiO、Cr
Ti+(2.5-6.8%)Al+ (a%)V+(b%)Cr+(c%)Co+ (d%)Ni+(e%)Mo +(f%)Nb +(g%) Ta+(h%)Ru+ (0.05-0.15%%) B+(0.03-0.09% )Y。杂质Fe≦0.05%,N≦0.05%,H≦0.05%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
式中:a为0.90-2.80;b为0.03-0.16;c为0.05-0.60;d为0.10-0.60;e为0.50-1.50;f为0.10-0.50;g为0.00-0.50;h为0.00-0.08;杂质Fe≦0.25%,N≦0.06%,H≦0.015%,O≦0.25%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
具体实施方案为:
⑴按权利要求所述的合金,其特征在于,含有以下的成分(按质量百分比%):
Ti+(5.5-6.8%)Al+(1.9-2.8%)V+(0.05-0.09%)Cr+(0.05-0.20%)Co+ (0.10- 0.30%)Ni+(0.6-1.0%)Mo +(0.10-0.40%)Nb +(0.04-0.06%) Ru+ (0.05-0.09%) B+(0.03-0.09% )Y。杂质Fe≦0.15%,N≦0.05%,H≦0.015%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
⑵按权利要求所述的合金,其特征在于,含有以下的成分(按质量百分比%):
Ti+(5.8-6.8%)Al+(1.4-1.9%)V+(0.09-0.15%)Cr+(0.20-0.50%)Co+ (0.30- 0.60%)Ni+(0.6-1.0%)Mo +(0.30-0.50%)Nb + (0.05-0.09%) B+(0.03-0.09% )Y。杂质Fe≦0.15%,N≦0.05%,H≦0.015%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
⑶按权利要求所述的合金,其特征在于,含有以下的成分(按质量百分比%):
Ti+(5.5-6.8%)Al+(1.6-2.2%)V+(0.05-0.09%)Cr+(0.05-0.20%)Co+ (0.10- 0.30%)Ni+(0.80-1.20%)Mo +(0.10-0.40%)Nb +(0.2-0.5%)Ta +(0.04-0.06%) Ru+ (0.05-0.09%) B+(0.03-0.09% )Y。杂质Fe≦0.15%,N≦0.05%,H≦0.015%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
⑷按权利要求所述的合金,其特征在于,含有以下的成分(按质量百分比%):
Ti+(5.8-6.8%)Al+(1.4-1.9%)V+(0.10-0.15%)Cr+(0.20-0.50%)Co+ (0.30- 0.60%)Ni+(0.80-1.20%)Mo +(0.30-0.50%)Nb +(0.20-0.50%)Ta + (0.05-0.09%) B+(0.03-0.09% )Y。杂质Fe≦0.15%,N≦0.05%,H≦0.015%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
⑸按权利要求所述的合金,其特征在于,含有以下的成分(按质量百分比%):
Ti+(2.5-3.6%)Al+(1.5-2.0%)V+(0.10-0.15%)Cr+(0.20-0.50%)Co+ (0.30- 0.60%)Ni+(0.80-1.20%)Mo +(0.30-0.50%)Nb +(0.20-0.50%)Ta + (0.05-0.09%) B+(0.03-0.09% )Y。杂质Fe≦0.15%,N≦0.05%,H≦0.015%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
本发明所述的合金属于α+β两相合金,对于两相α+β合金而言,提高合金中β稳定元素的含量是提高合金强度的有效方法,足量的β稳定元素可以起到固溶强化作用,可以扩大β相区,保留较多的β相和亚稳β相,亚稳β相在后续的时效处理时可以析出强化相,从而提高合金强度。考虑成本因素,共析型亚稳β相稳定元素Cr比同晶型亚稳β相稳定元素V、Nb、Mo、Ta价格便宜,在添加共析稳定元素时,要与同晶稳定元素搭配使用,防止合金中生成脆性金属化合物。
合金的熔炼过程简述如下:
以0级海绵钛、双零级电解铝锭、Ti-55%Mo中间合金、Al-80%V中间合金、Al-60%Cr中间合金、Al-10%B中间合金、纯钽、纯镍、纯钴、纯铌、纯钇、纯钌为原料,将电解铝锭剪切制成粒度为8-12.7mm粒度的块料备用,将中间合金破碎筛分至3-12.7mm的粒度备用。将制备的原料送入干燥炉干燥,脱除原料中的吸附水分,烘干、干燥结束,原料直接出炉。按照合金成分及配料要求的比例混合原料,以配好的炉料为原料,在等离子体冷床炉进行冷床炉熔炼,得到一次铸锭。在冷床熔炼时,通过高温熔化、溶解合金中的高密度、低密度夹杂,通过浮选、沉降的机理脱除合金中无法熔化、溶解的高密度、低密度夹杂,通过控制炉压降低合金元素铝的烧损。
以一次铸锭为原料,在真空自耗电极电弧炉对合金进行二次熔炼。装炉结束后,预抽真空、引弧,达到电弧稳定燃烧并形成金属熔池后,关闭真空阀门,向炉室内冲入18-20kPa的氩气或者氦气,进行保护气氛熔炼,减少铝的熔炼损失。通过提高保护气的纯度,利用分压原理,脱除合金在高温状态下挥发的气体和低熔点夹杂。得到气体、低熔点夹杂很低,高密度、低密度夹杂有效脱除的优质铸锭。
本发明通过多元合金化和微量合金化,净化合金基体,固溶强化、细晶强化、沉淀强化合金基体,提高合金强度和断裂韧性,使合金的强度提高60%-100%。通过复合添加合金元素Mo、Co、Cr、Ni, 在合金表面形成稳定的、牢固的、不动态的NiO、Cr
具体实施方式
本发明介绍了一种高强度低成本耐蚀钛合金,该合金通过复合添加V、Cr、Co、Ni、Mo、Nb、Ta元素,降低合金α(Ti)/β(Ti)转变温度,扩大合金β相区,提高合金高温塑性,改善合金热加工性能。合金在室温状态下的相组成依加工工艺和热处理工艺不同而不同,β(Ti)分数在20%-50%之间。
铝是α(Ti)稳定元素,能够大量固溶于α相,扩大α相区,提高合金强度。复合添加β(Ti)稳定元素V、Cr、Co、Ni、Mo、Nb、Ta,通过β(Ti)稳定元素固溶入β(Ti)相,对合金起到固溶强化作用,提高合金强度。β(Ti)相稳定元素V、Cr、Co、Ni、Mo、Nb、Ta通过高温冷却时的β(Ti)/α(Ti)转变析出,对合金起到析出强化作用,进一步提高合金强度。
添加合金元素B能与合金基体钛形成高硬度、高熔点的TiB
少量的稀土元素Y以固溶形式存在于合金基体中,能够细化合金铸锭组织,提高合金再结晶温度,对合金起到一定的强化作用,大部分以稀土氧化物Y
通过上述复合添加合金元素,并辅适当的热处理工艺,使合金的强度提高60%-100%。并使合金具有良好的综合性能,有良好的塑性、韧性、组织稳定性和良好的热加工性能,焊接性能优良。
通过复合添加元素Co、Cr、Ni或者元素Mo、Co、Cr、Ni, 在合金表面形成稳定的、牢固的、不动态的NiO、Cr
通过复合添加低价金属Mo、Nb、Ta、Co部分替代高价金属V,使合金原料成本降低50000元/吨。通过复合添加低价金属Co、Cr、Ni替代贵金属Pd和Ru或者部分替代贵金属Ru,使合金贵金属原料成本降低100000元/吨。通过多组元复合添加低价金属元素替代高价金属盒贵金属,综合降低原料成本150000元/吨。
本发明通过多元合金化和微量合金化,净化合金基体,固溶强化、细晶强化、沉淀强化合金基体,提高合金强度和断裂韧性,使合金的强度提高60%-100%。通过复合添加合金元素Mo、Co、Cr、Ni, 在合金表面形成稳定的、牢固的、不动态的NiO、Cr
合金的熔炼过程:
实施例1:
Ti+5.8%Al+2.2%V+0.06%Cr+0.09%Co+ 0.20%Ni+0.80%Mo +0.30%Nb +0.05% Ru+0.06% B+0.05% Y。杂质Fe≦0.15%,N≦0.05%,H≦0.015%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
⑴以0级海绵钛、双零级电解铝锭、Ti-55%Mo中间合金、Al-80%V中间合金、Al-60%Cr中间合金、Al-10%B中间合金、纯镍、纯钴、纯铌、纯钇、纯钌为原料,将电解铝锭剪切制成粒度为8-12.7mm粒度的块料备用,将中间合金破碎筛分至3-12.7mm的粒度备用。
⑵将制备的原料送入干燥炉干燥,脱除原料中的吸附水分,烘干、干燥结束,原料直接出炉。
⑶将原料按照合金成分及工艺配料要求的比例进行混合,配料时,要考虑合金元素烧损和偏析对铸锭组织、成分的影响。以配好的炉料为原料,在等离子体冷床炉进行冷床炉熔炼,得到一次铸锭。在冷床熔炼时,通过高温熔化、溶解合金中的高密度、低密度夹杂,通过浮选、沉降的机理脱除合金中无法熔化、溶解的高密度、低密度夹杂,通过控制炉压降低合金元素铝的烧损。
⑷以一次铸锭为原料,在真空自耗电极电弧炉对合金进行二次熔炼。装炉结束后,预抽真空、引弧,达到电弧稳定燃烧并形成金属熔池后,关闭真空阀门,向炉室内冲入18-20kPa的氩气或者氦气,进行保护气氛熔炼,减少铝的熔炼损失。通过提高保护气的纯度,利用分压原理,脱除合金在高温状态下挥发的气体和低熔点夹杂。得到气体、低熔点夹杂很低,高密度、低密度夹杂有效脱除的优质铸锭。铸锭尺寸化学成分为(按元素质量百分比计):Al :5.74%;V:2.35%;Cr :0.058%;Co: 0.093%;Ni: 0.19%;Mo :0.82%;Nb :0.29%;Ru:0.051%;B: 0.059%;Y: 0.052%钛合金铸锭 ;杂质O≦0.16%,Fe≦0.146%,N≦0.045%,H≦0.0146%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
实施例2:
Ti+5.9Al+1.6%V+0.12%Cr+0.35%Co+ 0.45%Ni+0.80%Mo +0.40%Nb + 0.07% B+0.06%Y。杂质Fe≦0.15%,N≦0.05%,H≦0.015%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
⑴以0级海绵钛、双零级电解铝锭、Ti-55%Mo中间合金、Al-80%V中间合金、Al-60%Cr中间合金、Al-10%B中间合金、纯镍、纯钴、纯铌、纯钇为原料,将电解铝锭剪切制成粒度为8-12.7mm粒度的块料备用,将中间合金破碎筛分至3-12.7mm的粒度备用。
⑵将制备的原料送入干燥炉干燥,脱除原料中的吸附水分,烘干、干燥结束,原料直接出炉。
⑶将原料按照合金成分及工艺配料要求的比例进行混合,配料时,要考虑合金元素烧损和偏析对铸锭组织、成分的影响。以配好的炉料为原料,在等离子体冷床炉进行冷床炉熔炼,得到一次铸锭。在冷床熔炼时,通过高温熔化、溶解合金中的高密度、低密度夹杂,通过浮选、沉降的机理脱除合金中无法熔化、溶解的高密度、低密度夹杂,通过控制炉压降低合金元素铝的烧损。
⑷以一次铸锭为原料,在真空自耗电极电弧炉对合金进行二次熔炼。装炉结束后,预抽真空、引弧,达到电弧稳定燃烧并形成金属熔池后,关闭真空阀门,向炉室内冲入18-20kPa的氩气或者氦气,进行保护气氛熔炼,减少铝的熔炼损失。通过提高保护气的纯度,利用分压原理,脱除合金在高温状态下挥发的气体和低熔点夹杂。得到气体、低熔点夹杂很低,高密度、低密度夹杂有效脱除的优质铸锭。铸锭尺寸化学成分为(按元素质量百分比计):Al :5.93%;V:1.63%;Cr :0.13%;Co: 0.34%;Ni: 0.46%;Mo :0.81%;Nb :0.39%;B:0.069%;Y: 0.061%钛合金铸锭 ;杂质O≦0.13%,Fe≦0.13%,N≦0.045%,H≦0.013%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
实施例3:
Ti+6.3Al+1.8%V+0.08%Cr+0.13%Co+ 0.23%Ni+1.0%Mo +0.25%Nb 0.35%Ta+ 0.07% B+0.06% Y。杂质Fe≦0.15%,N≦0.05%,H≦0.015%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
⑴以0级海绵钛、双零级电解铝锭、Ti-55%Mo中间合金、Al-80%V中间合金、Al-60%Cr中间合金、Al-10%B中间合金、纯钽、纯镍、纯钴、纯铌、纯钇为原料,将电解铝锭剪切制成粒度为8-12.7mm粒度的块料备用,将中间合金破碎筛分至3-12.7mm的粒度备用。
⑵将制备的原料送入干燥炉干燥,脱除原料中的吸附水分,烘干、干燥结束,原料直接出炉。
⑶将原料按照合金成分及工艺配料要求的比例进行混合,配料时,要考虑合金元素烧损和偏析对铸锭组织、成分的影响。以配好的炉料为原料,在等离子体冷床炉进行冷床炉熔炼,得到一次铸锭。在冷床熔炼时,通过高温熔化、溶解合金中的高密度、低密度夹杂,通过浮选、沉降的机理脱除合金中无法熔化、溶解的高密度、低密度夹杂,通过控制炉压降低合金元素铝的烧损。
⑷以一次铸锭为原料,在真空自耗电极电弧炉对合金进行二次熔炼。装炉结束后,预抽真空、引弧,达到电弧稳定燃烧并形成金属熔池后,关闭真空阀门,向炉室内冲入18-20kPa的氩气或者氦气,进行保护气氛熔炼,减少铝的熔炼损失。通过提高保护气的纯度,利用分压原理,脱除合金在高温状态下挥发的气体和低熔点夹杂。得到气体、低熔点夹杂很低,高密度、低密度夹杂有效脱除的优质铸锭。铸锭尺寸化学成分为(按元素质量百分比计):Al :6.23%;V:1.81%;Cr :0.081%;Co: 0.129%;Ni: 0.24%;Mo :0.96%;Nb :0.24%;Ta:0.36%;B: 0.073%;Y: 0.065%钛合金铸锭 ;杂质O≦0.17%,Fe≦0.14%,N≦0.046%,H≦0.011%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
实施例4:
Ti+6.6Al+1.5%V+0.12%Cr+0.34%Co+ 0.40%Ni+1.0%Mo +0.44%Nb 0.35%Ta+ 0.07% B+0.06% Y。杂质Fe≦0.15%,N≦0.05%,H≦0.015%,O≦0.20%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
⑴以0级海绵钛、双零级电解铝锭、Ti-55%Mo中间合金、Al-80%V中间合金、Al-60%Cr中间合金、Al-10%B中间合金、纯钽、纯镍、纯钴、纯铌、纯钇为原料,将电解铝锭剪切制成粒度为8-12.7mm粒度的块料备用,将中间合金破碎筛分至3-12.7mm的粒度备用。
⑵将制备的原料送入干燥炉干燥,脱除原料中的吸附水分,烘干、干燥结束,原料直接出炉。
⑶将原料按照合金成分及工艺配料要求的比例进行混合,配料时,要考虑合金元素烧损和偏析对铸锭组织、成分的影响。以配好的炉料为原料,在等离子体冷床炉进行冷床炉熔炼,得到一次铸锭。在冷床熔炼时,通过高温熔化、溶解合金中的高密度、低密度夹杂,通过浮选、沉降的机理脱除合金中无法熔化、溶解的高密度、低密度夹杂,通过控制炉压降低合金元素铝的烧损。
⑷以一次铸锭为原料,在真空自耗电极电弧炉对合金进行二次熔炼。装炉结束后,预抽真空、引弧,达到电弧稳定燃烧并形成金属熔池后,关闭真空阀门,向炉室内冲入18-20kPa的氩气或者氦气,进行保护气氛熔炼,减少铝的熔炼损失。通过提高保护气的纯度,利用分压原理,脱除合金在高温状态下挥发的气体和低熔点夹杂。得到气体、低熔点夹杂很低,高密度、低密度夹杂有效脱除的优质铸锭。铸锭尺寸化学成分为(按元素质量百分比计):Al :6.56%;V:1.52%;Cr :0.123%;Co: 0.35%;Ni: 0.39%;Mo :1.03%;Nb :0.45%;Ta:0.34%;B: 0.069%;Y: 0.061%钛合金铸锭 ;杂质O≦0.18%,Fe≦0.16%,N≦0.008%,H≦0.009%,合金中杂质总量不大于0.25%,余量为钛。
本发明通过多元合金化和微量合金化,净化合金基体,固溶强化、细晶强化、沉淀强化合金基体,提高合金强度和断裂韧性,使合金的强度提高60%-100%。通过复合添加合金元素Mo、Co、Cr、Ni, 在合金表面形成稳定的、牢固的、不动态的NiO、Cr
- 一种高强度低成本耐蚀钛合金
- 一种低成本耐蚀钛合金及其制备方法