稀有金属 2004,(01),66-69 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.017

低成本钛合金研究

李月璐 吴欢 冯亮 朱康英 刘彩利

摘 要：

采用廉价的Fe Mo中间合金设计研究出Ti8LC和Ti12LC低成本钛合金 , 前者为近α型 , 后者为近 β型钛合金 , 两者的室温拉伸性能均优于TC4, Ti12LC的热加工温度更低

关键词：

钛合金;低成本钛合金;力学性能;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：2003-09-10

基金：国家 8 63计划资助项目 ( 2 0 0 1AA3 3 2 0 10 );

Research on Low Cost Titanium Alloys

Abstract：

Titanium and its alloys have been widely used in aerospace fields because of their excellent comprehensive properties. However, the high cost restricts its civilian application widely, therefore it is necessary to research low cost titanium alloys. New low cost Ti8LC and Ti12LC titanium alloys are designed and developed by using cheap Fe Mo master alloy in our laboratory. Ti8LC is a near α alloy and Ti12LC is a near β one. Tensile properties at RT of both Ti8LC and Ti12LC are better than that of TiC4, and Ti12LC alloy has even lower hot processing temperature.

Keyword：

titanium alloy; low cost titanium alloy; mechanical property;

Received： 2003-09-10

钛及钛合金因密度小、 比强度高、 耐腐蚀、 耐高温、 无磁、 焊接性能好等优异综合性能, 在航空航天等领域得到广泛应用, 然而与铝、 钢铁等相比, 高的成本限制了钛合金的更广泛应用, 尤其是民用领域。 为扩大推广钛合金的应用, 有必要开展低成本钛合金及其制备技术研究。 美国已研究出Timetal 62S (Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si) ^[1] 和Timetal LCB (Ti-4.5Al-6.8Mo-1.5Fe) ^[1] 低成本钛合金, 并均已得到应用; 日本也研制出TIX (Ti-Fe-O-N) ^[2] 系列低成本钛合金。 中国结合自己的国情及钛合金发展的要求, 研制出Ti8LC ^[3] 和Ti12LC ^[4] 低成本钛合金, 本文针对这两种合金进行研究分析, 以期为合金的深入研究奠定基础。

1 低成本钛合金的设计思想

TC4 (Ti-6Al-4V) 合金是研究、 生产成熟, 用途最广的典型α+β型钛合金。 本研究以TC4为对比合金, 设计研究低成本钛合金。 在中国V资源较缺, V的价格昂贵 (2000元左右/kg) , Cr的价格也较高。 因此在低成本合金设计中尽可能避免使用合金元素V和Cr, 采用中国资源丰富、 价格便宜的金属元素, 并且新合金要易加工, 是新型低成本钛合金设计的根本出发点。 鉴于此, 设计的合金主要采用以下两个途径来降低成本: (1) 采用冶炼钢铁普遍采用的Fe-Mo廉价中间合金, 添加廉价合金元素Fe以代替TC4中昂贵合金元素V; (2) 新合金热加工温度要低于TC4, 且塑性要好。 由此设计、 研制出具有中国特色的近α型Ti8LC (Ti-Al-Fe-Mo) ^[3] 和近β型Ti12LC (Ti-Al-Fe-Mo) ^[4] 低成本钛合金。

2 实验方法

按设计成分, 采用海绵钛、 Fe-Mo中间合金、 Al-Mo中间合金在5和25 kg真空自耗电弧炉中经两次熔炼制备出Φ60 mm的5 kg和Φ150 mm的24 kg铸锭, 分别经开坯锻造后常规锻造和大变形量的步进轧制成Φ20 mm的棒材。 退火或固熔时效处理后, 测试室温拉伸性能、 研究加工特性, 采用金相、 透射电镜、 扫描电镜观察微观组织和断口形貌。

3 实验结果及分析

3.1 微观组织

图1为Ti8LC和Ti12LC两种合金常规锻造热处理态的金相组织。 由此可知, 两合金的原始铸锭的粗大组织已明显破碎, 经退火后, 二者均为等轴组织, Ti8LC为等轴α+β转 (图1 (a) ) , Ti12LC为细小等轴α+β基体 (图1 (c) ) , 前者为近α型α+β钛合金, 后者为近β型钛合金。 透射电镜观察表明, 等轴的Ti8LC内有较高密度的位错 (图2 (a) ) , 等轴的或细长条的Ti12LC α晶粒内径错密度很低 (图2 (b) ) , β基体内有高度位错。 固溶时效处理后, Ti8LC为更加明显的细小等轴组织 (图1 (b) ) , Ti12LC为细小的球形α或细密的长条α分布在β基体上 (图1 (d) ) 。 在退火态和固溶时效态, 两种合金应具有良好的室温拉伸性能。

图3为Ti8LC和Ti12LC两合金步进轧制退火态的金相组织。 与图1 (a) 和图1 (c) 相比, 经大变形量步进轧制后, 晶粒更加细小。

3.2 室温力学性能

表1和表2分别为Ti8LC和Ti2LC退火态和固溶时效态的室温力学性能。 由此可知, Ti8LC和Ti12LC具有良好的室温拉伸性能, 固溶时效态强度更高, 二者的强度和塑性均远远高于标准要求的TC4的性能。 Ti12LC和Ti8LC相比, Ti12LC具有更高的强度和塑性匹配。

图4为Ti8LC和Ti12LC合金室温拉伸断口扫描电镜形貌, 有较深的韧窝, 二者均为明显的韧窝状塑性断口。

表3为Ti8LC和Ti12LC经大变形量步进轧制退火后的室温拉伸性能, 与表1中常规锻造退火态的拉伸性能相比, 表3中两合金强度更高 (Ti8LC高出250 MPa, Ti12LC高出190 MPa) , 而塑性相差不大, 稍有降低。 对比图3和图1可知, 步进轧制的合金晶粒更细小 (表4) 。 步进轧制的强度高, 符合常规的细晶强化机制: σ_s=σ_o + k·d^-1/2, 式中σ_s为屈服强度, d为晶粒尺寸, k为常数。

3.3 加工特性研究

图5为Ti8LC和Ti12LC不同温度变形的真应力-真应变 (σ-ε) 曲线, σ-ε曲线变化符合一般规律。 温度越高, 最大应力点越低, 应力下降的速度越快。 通过金相组织和TEM观察表明, 两合金的变形机制均为动态回复和动态再结晶, 低温以动态回复为主, 高温以动态再结晶为主。 比较图5 (a) 和图5 (b) 可知, Ti12LC合金的变形温度低于Ti8LC, 更容易进行塑性变形。

图1 Ti8LC (a) , (b) 和Ti12LC (c) , (d) 的金相组织

Fig.1 OM images of Ti8LC (a) , (b) and Ti12LC (c) , (d)

(a) , (b) :退火; (c) , (d) :固溶时效

图2 Ti8LC (a) 和Ti12LC (b) 退火的TEM组织

Fig.2 TEM images of Ti8LC (a) and Ti12LC (b) alloys as annealing

图3 Ti8LC (a) 和Ti12LC (b) 步进轧制退火金相组织

Fig.3 OM images of Ti8LC (a) and Ti12LC (b) alloys after step by step rolling

表1 Ti8LC和Ti12LC退火态室温拉伸性能

Table 1Tensile properties of Ti8LC and Ti12LC at RT after annealing

合金	σb/MPa	σ0.2/MPa	δ5/%	ψ/%
Ti8LC Ti12LC TC4 (国标)	950 1010 895	880 990 825	18 18 10	44 60 25

表2 Ti8LC和Ti12LC固溶时效室温拉伸性能

Table 2Tensile properties of Ti8LC and Ti12LC at RT after solution treatment and aging

合金	σb/MPa	σ0.2/MPa	δ5/%	ψ/%
Ti8LC Ti12LC	1050 1170	950 1140	12 18	36 59

图4 Ti8LC (a) 和Ti12LC (b) 合金室温拉伸断口形貌

Fig.4 Tensile fractograph of Ti8LC (a) and Ti12LC (b) alloys at RT

表3 Ti8LC和Ti12LC步进轧制退火态室温拉伸性能

Table 3Tensile properties of Ti8LC and Ti12LC alloys at RT after step by step rolling

合金	σb/MPa	σ0.2/MPa	δ5/%	ψ/%
Ti8LC Ti12LC	1170 1200	1100 1150	16 18	36 46

表4步进轧制与常规锻造Ti8LCα晶粒尺寸和Ti12LC β晶粒尺寸对比/μm

Table 4Comparison of grain size between Ti8LC α phase and Ti12Lc β phase with the step by step rolling and conventional forging/μm

合金	常规锻造	步进轧制
Ti8LC Ti12LC	10 240	2 100

图5 Ti8LC和Ti12LC同一个应变速率 (1/s) 不同温度变形真应力-真应变 (σ-ε) 曲线

Fig.5 True stress vs. true strain curves of Ti8LC (a) and Ti12LC (b) with the same strain rate (1/s) and different temperatures

(a) Ti8LC, 850~1000℃; (b) Ti12LC, 650~850℃

4 结 论

1. 采用廉价的Fe-Mo中间合金研制的近α型Ti8LC和近β型Ti12LC低成本钛合金具有良好的室温拉伸性能, 优于TC4。 Ti12LC具有更高的强度和塑性匹配, Ti12LC合金更容易在较低温度下变形。

2. 实现大变形量的步进轧制技术, 晶粒更细, 使Ti8LC和Ti12LC具有更高的强度。

参考文献

[1] 　FanningJC .　Terminalballisticpropertiesoftimetal62s[A].Tita nium′95:ScienceandTechnology[C].1995, 1688.

[2] 　BaniaPJ.　Betatitaniumalloysandtheirroleinthetitaniumindus try, betatitaniumalloysintheyear1990s[J].TMSPublish., 1993.3.

[3] 　朱康英, 赵永庆, 李月璐.　一种α型低成本钛合金[P].中国专利, 申请号:No.02101189.3.

[4] 　赵永庆, 朱康英, 李月璐.　一种β型低成本钛合金[P].中国专利, 申请号:No.02101190.7.