[发明专利]一种高性能TA1棒丝材及其制备方法

说明书

本发明属于钛及钛合金制备加工领域，具体涉及一种高性能TA1棒丝材及其制备方法。本发明的高性能TA1棒丝材含有Fe：≤0.15wt％，O：≤0.15wt％，N：≤0.05wt％，C：≤0.10wt％，H：≤0.008wt％，余量为钛和不可避免的杂质。该高性能TA1棒丝材的抗拉强度在350‑450MPa之间，屈服强度在240‑380MPa之间，断后伸长率≥25％，断面收缩率≥60％。本发明通过对原材料合金元素与热处理制度进行调控，获得一种即适合医用、航空航天用又达到进口丝材标准的高强、高韧综合性能优异的TA1纯钛棒丝材，展现出优异服役性能的同时并进一步提高了TA1纯钛的使用强度，在工程领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于钛及钛合金制备加工领域，具体涉及一种高性能TA1棒丝材及其制备方法。

背景技术

TA1属于α型钛合金，是工业纯钛合金不含有其他合金元素，在退火状态下一般具有单相α组织，具有良好的组织稳定性和耐热性，焊接性能好，焊缝性能与基体接近，工艺塑性好，易于加工成型，一般应用于对耐腐蚀性能要求高而强度要求不高的场合，如化工管道、压力容器等。

由于TA1纯钛合金的强度不高，不能满足某些特殊情况下构件的性能要求，如对于进口材料标准的力学性能。有效改进材料制备工艺和控制材料微观结构(相种类、尺度、形态及其分布),一直被大多数研究工作者们视为改善钛及其合金强韧性最有效的两大途径。但是α合金对热处理和组织类型不敏感，单方面通过对热处理制度的调控来提高材料的强度，效果不显著。

工业纯钛的性能与其内部组织的关系较小，主要与其杂质含量相关。按其杂质含量及机械性能不同分为TA0、TA1、TA2、TA3、TA4五个牌号。牌号顺序数字增加，杂质含量增加。钛的强度增加，塑性降低。因此要得到希望的性能，控制杂质含量就是关键。工业纯钛主要杂质元素有O、N、H、C、Fe等，其中O、N、H、C为间隙性杂质，Fe为置换性杂质。这些杂质都会使工业纯钛的强度升高，塑性降低，间隙杂质尤其是O、N的作用最为显著；氧每增加0.1％，钛的强度就增加145MPa左右，塑性降低5～10％，当氧的含量达到0.45％时，钛的冷加工就变得不可能了；而N每增加0.1％钛的强度就增加290MPa左右，塑性降低10～20％，当氮含量达0.2％时，钛在冷加工时就失去塑性，出现脆性断裂。

为了提高纯钛TA1的强度，西北有色金属研究院研究了氧含量及轧制工艺对纯钛管材性能的影响，得出纯钛管材氧含量在0.08～0.13％范围可获得强度高、塑性优异的管材。西部钛业有限责任公司研究了退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响，得出经550℃～650℃/90minFC处理后的管材性能达到飞机发动机的要求。攀长钢钛材项目工艺组进行了工业纯钛TA1板材的研制，探索出了合理可行的电极制备，真空自耗熔炼、锻造开坯等工艺，得出了杂质含量是影响工业纯钛力学性能的主要因素的结论，并给出了控制杂质含量的措施。宝鸡有色金属加工厂利用数理统计的方法对采集的样本数据进行处理，得到了用铸锭的氧含量、氧当量来计算板材抗拉强度的经验公式，并对其线性相关性进行了检验，得出此公式比较理想可以指导工业化生产。通过上述研究可以发现，通过控制铁氧含量的方式来提高工业纯钛TA1的抗拉强度，此方案是具有可行性的。但目前国内市场上批量生产的TA1纯钛棒丝材无法同时达到高塑性和较高强度的要求，无法满足做一些特殊条件下铆接成型的要求。

一般情况下，医用TA1纯钛按照国家标准GB/T13810-2017组织生产，由于GB/T3621-2007中对TA1纯钛棒丝材的力学性能要求较低，且对微观组织未做要求，而航空用材使用的军用标准中，不仅对强度和塑性提出了更高的标准，且要求为完全再结晶组织。因此，就会出现生产的产品满足医用标准却不能满足航空用材标准或其他进口用材标准的现象，给企业带来了巨大的损失。

表1 TA1纯钛不同标准力学性能

因此，为了获得更高强度的TA1纯钛棒丝材，并保持其优异的塑韧性，使其安全性能够得到提高，应用领域能够得到拓宽，开发出一种提高TA1纯钛强度和塑性的工艺方法是非常有必要的。