[发明专利]一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金

说明书

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、无磁性、热膨胀系数低、耐腐蚀等一系列性能优点，其作为一种重要的金属结构材料不仅被应用于航空航天工业与石油化工工业中，而且在海洋工程和船舶装备制造中得到广泛的应用，有“海洋金属”之称。其中，TA1、TA2等工业纯钛由于具有优良的耐海水腐蚀性和加工成形性而被大量用于制造海水淡化装置的换热器、冷凝器及管路系统。但是，工业纯钛的强度不高，其屈服强度一般在150～450MPa之间，无法满足制造高压设备的性能要求。TA10、TA22等钛合金具有比纯钛更高的强度和更为优良的耐缝隙腐蚀能力，主要用于制备船舶动力装置的管路系统和阀门等，但是本发明发现，这些合金中都含有一定量的Ni，元素Ni属于快共析型β稳定元素，在合金熔炼过程中易于发生偏析，在长期高温服役条件下对合金性能具有不利影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种海洋工程用中等强度高冲击韧性的钛合金，该合金在不添加有元素Ni的条件下，其屈服强度能够达到450MPa～550MPa级别，并且具有与纯钛相当的塑性、冲击韧性和耐海水腐蚀性，可通过热加工制造钛合金管材，满足海洋环境工况的使用要求，同时该合金还具备优良的可焊接性和冷热加工性，满足批量化生产和工程化应用的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 1.5％～3.5％，Zr 0.5％～3％，Mo 0.5％～2％，Nb 0.5％～3％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述中等强度是指该合金经简单退火或双重退火处理后的屈服强度为450MPa～550MPa，所述高冲击韧性指该合金经简单退火或双重退火处理后的冲击韧性不低于780kJ/m²。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 3.5％，Zr 0.5％，Mo 1.2％，Nb 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 1.8％，Zr 3.0％，Mo 0.5％，Nb 2.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 2.0％，Zr 1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 2.4％，Zr 1.4％，Mo 2.0％，Nb 0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Al 1.5％，Zr 2.6％，Mo 1.0％，Nb3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金，其特征在于，所述简单退火的具体过程为：在温度为800℃的条件下保温1h后空冷，所述双重退火的具体过程为：先在温度为900℃的条件下保温1h后空冷，然后在温度为700℃的条件下保温4h后空冷。

本发明海洋工程用中等强度高冲击韧性钛合金的制备过程为传统制备工艺：采用Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、铝豆、海绵锆和海绵钛按设计成分配料并压制电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次的熔炼，将熔炼好的铸锭在950℃～1150℃范围内进行逐级降温锻造，随后在800℃～900℃范围内进行成品加工。

本发明中等强度高冲击韧性钛合金的研发机理为：

1、本发明钛合金中加有一定比例的Al元素，以强化合金中的α相，提高合金强度。Al元素含量太少，对合金的强化作用不明显。Al元素含量过高，会导致合金塑性和冲击韧性的显著下降，并降低其可加工性，使合金无法用作制备管材；

2、本发明钛合金中加有一定比例的Zr元素，以抑制晶粒在相变温度以上时的过快长大，一定程度改善合金的塑性和可焊接性。Zr元素含量太少，对合金塑性和可焊接性的改善作用不明显。Zr元素含量过高，使合金成本增加；