舰船结构件不仅长期与海水接触,而且承受着经常变化的海水压力,又要求良好的抗海水应力腐蚀性能以及强度、韧性、加工性、焊接性的良好配合。 目前的舰船结构件的用材,主要是铜合金B30和不锈钢等,实践证明B30存在着强度低,不耐污染海水腐蚀,抗冲击性能差,制作双金属材料焊接工艺复杂,加工周期长等一系列问题。目前能被舰船选用的合金不多,也不配套。特别是抗拉强度730MPa级耐蚀钛合金,国内外尚无此级别的船用钛合金。美国研制的Ti6211合金为860MPa级合金,此合金加工生产困难,断裂韧性、应力腐蚀性能指标较低。苏联船用合金选用48T2、T3、T4、T7等,这些合金强度均在680MPa以下。曾在舰船上试用的TA5(Ti-4Al-0.005B)合金,强度为680MPa级,而且在应用中发现合金成分局部偏析,盐应力腐蚀性能很低等问题。
本发明的目的,是提供一种船用抗拉强度为730MPa级中强、高韧钛合金及制造方法。
为了克服现有船用材料的缺点,本发明船用钛合金与现用船用TA5合金相比,强度比TA5高50MPa,在具有良好的综合性能情况下,冲击韧性和断裂韧性值分别高出40%和20%,在海水中应力腐蚀强度因子为87.6MPa M1/2,比TA5高近一倍,具有良好的焊接性能(焊接系数为0.9)和良好冷热加工性能,与TA5比,热加工温度低,对温度适应性强,性能对氧的敏感性低于TA5。
本发明船用钛合金为Ti-Al-Mo-Zr系、Ti-2.0~2.9Al-1.5~3.0Mo-0.5~3.0Zr(Ti75A)和Ti-Al-Mo-Zr-V系、Ti-2.5~2.9Al-1.5~2.5Mo-0.5~1.0Zr-0.5~1.5V(Ti75B),Al含量低于下限时强度不够,Al含量高于上限时,应力腐蚀性能、断裂韧性降低;Mo含量低于下限时强度不足,含量高于上限时焊接性能不好;Zr含量低于下限时强度不足,含量高于上限时合金成本高,并对应力腐蚀等性能产生不利影响;V含量低于下限时强度不足,高于上限时焊接性能不好。
本发明合金的制造,将海绵钛,中间合金〔Al-Mo(1∶1),Al-V(1∶1)〕,纯金属,按成分配制合金料,经二次真空自耗电弧熔炼后,在880℃~1080℃开坯,850℃~1050℃锻造,800~950℃轧制,加工成板或棒材。
实施例1
用海绵钛、中间合金(Al-Mo,Al-V)、纯金属为原料,按2.8%Al、2.25%Mo、2.25%Zr配制Ti75A合金料,压成圆或方电极、再把数根电极焊接成自耗电极,然后经二次真空电弧熔炼后,在880℃~1080℃开坯,加工成板和棒材,总变形量控制在50~80%。其性能如表1~表6所示。
实施例2
用海绵钛,中间合金(Al-Mo,Al-V),纯金属为原料,按2.7%Al、1.8%Mo、0.7%Zr、0.9%V配制Ti75B合金料,压成圆或方电极,再把数根电极焊接成自耗电极,然后经二次真空电弧熔炼后,在880℃~1080℃开坯,加工成板和棒材,总变形量控制在50~80%。其力学性能如下:
σbσa2δ5ψ αk
(MPa) (MPa) (%) (%) (KJ/m2)
737 668 20 65 1470
腐蚀性能,在60℃ 3.5%NaCl溶液中,腐蚀速度为5.1×10-4mm/a。
表1 Ti-75A合金棒材与板材常规力学性能炉次状态σbMPaσa2MPaδ5%Ψ%αkKJ/m2α(度)8721872788318961φ18mm退火""δ=18mm退火739760775757.5685733745680191817.519.568.063.567.049.0157813701015>110
表2 Ti-75A合金的焊接性能炉次状态σbMPaσa2MPaδ5%Ψ%αkKJ/m2α(度)8727872888598961接头"焊缝金属接头823735797.579066765371574012.511.813.511.547.431.555.05888401040>109132*
*为焊接接头弯曲角
表3 Ti-75A合金的腐蚀性能
*A/B A缝间为石棉橡胶板垫片时值
B缝间无垫片时值
**C/D C指示材料值 D 偶对B30值
表4 Ti-75A及几种合金的断裂韧性数据比较
合金状态JiKJ/m2Ja2KJ/m2KJ0.2MPaM1/2K1C实测MPaM1/2Ti-75ATA5Ti-6Al-4YTC9Ti-679厚板""""89.235.388.017.612.5131.481.44242.913.7131.7103.571.972.940.9108.570.780.949.6