本發明屬于鈦合金技術領域，具體涉及一種海洋工程用中等強度高沖擊韌性鈦合金。

背景技術：

鈦及鈦合金具有比強度高、無磁性、熱膨脹系數低、耐腐蝕等一系列性能優點，其作為一種重要的金屬結構材料不僅被應用于航空航天工業與石油化工工業中，而且在海洋工程和船舶裝備制造中得到廣泛的應用，有“海洋金屬”之稱。其中，TA1、TA2等工業純鈦由于具有優良的耐海水腐蝕性和加工成形性而被大量用于制造海水淡化裝置的換熱器、冷凝器及管路系統。但是，工業純鈦的強度不高，其屈服強度一般在150～450MPa之間，無法滿足制造高壓設備的性能要求。TA10、TA22等鈦合金具有比純鈦更高的強度和更為優良的耐縫隙腐蝕能力，主要用于制備船舶動力裝置的管路系統和閥門等，但是本發明發現，這些合金中都含有一定量的Ni，元素Ni屬于快共析型β穩定元素，在合金熔煉過程中易于發生偏析，在長期高溫服役條件下對合金性能具有不利影響。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種海洋工程用中等強度高沖擊韌性的鈦合金，該合金在不添加有元素Ni的條件下，其屈服強度能夠達到450MPa～550MPa級別，并且具有與純鈦相當的塑性、沖擊韌性和耐海水腐蝕性，可通過熱加工制造鈦合金管材，滿足海洋環境工況的使用要求，同時該合金還具備優良的可焊接性和冷熱加工性，滿足批量化生產和工程化應用的要求。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種海洋工程用中等強度高沖擊韌性鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al 1.5％～3.5％，Zr 0.5％～3％，Mo 0.5％～2％，Nb 0.5％～3％，余量為Ti和不可避免的雜質；所述中等強度是指該合金經簡單退火或雙重退火處理后的屈服強度為450MPa～550MPa，所述高沖擊韌性指該合金經簡單退火或雙重退火處理后的沖擊韌性不低于780kJ/m²。

上述的一種海洋工程用中等強度高沖擊韌性鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al 3.5％，Zr 0.5％，Mo 1.2％，Nb 1.5％，余量為Ti和不可避免的雜質。

上述的一種海洋工程用中等強度高沖擊韌性鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al 1.8％，Zr 3.0％，Mo 0.5％，Nb 2.5％，余量為Ti和不可避免的雜質。

上述的一種海洋工程用中等強度高沖擊韌性鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al 2.0％，Zr 1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.0％，余量為Ti和不可避免的雜質。

上述的一種海洋工程用中等強度高沖擊韌性鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al 2.4％，Zr 1.4％，Mo 2.0％，Nb 0.5％，余量為Ti和不可避免的雜質。

上述的一種海洋工程用中等強度高沖擊韌性鈦合金，其特征在于，由以下質量百分比的成分組成：Al 1.5％，Zr 2.6％，Mo 1.0％，Nb3.0％，余量為Ti和不可避免的雜質。

上述的一種海洋工程用中等強度高沖擊韌性鈦合金，其特征在于，所述簡單退火的具體過程為：在溫度為800℃的條件下保溫1h后空冷，所述雙重退火的具體過程為：先在溫度為900℃的條件下保溫1h后空冷，然后在溫度為700℃的條件下保溫4h后空冷。

本發明海洋工程用中等強度高沖擊韌性鈦合金的制備過程為傳統制備工藝：采用Al-Mo中間合金、Al-Nb中間合金、鋁豆、海綿鋯和海綿鈦按設計成分配料并壓制電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2～3次的熔煉，將熔煉好的鑄錠在950℃～1150℃范圍內進行逐級降溫鍛造，隨后在800℃～900℃范圍內進行成品加工。

本發明中等強度高沖擊韌性鈦合金的研發機理為：

1、本發明鈦合金中加有一定比例的Al元素，以強化合金中的α相，提高合金強度。Al元素含量太少，對合金的強化作用不明顯。Al元素含量過高，會導致合金塑性和沖擊韌性的顯著下降，并降低其可加工性，使合金無法用作制備管材；

2、本發明鈦合金中加有一定比例的Zr元素，以抑制晶粒在相變溫度以上時的過快長大，一定程度改善合金的塑性和可焊接性。Zr元素含量太少，對合金塑性和可焊接性的改善作用不明顯。Zr元素含量過高，使合金成本增加；

3、本發明鈦合金中加有一定比例的Mo元素，以強化合金中的少量β相，提高合金強度的同時使合金的相變溫度降低，改善其熱加工性能；此外，Mo元素的加入還可提高合金在大部分還原性介質中的耐腐蝕性。Mo元素含量太少，強化作用及性能改善不明顯。Mo元素含量過高，會導致合金由近α型鈦合金轉變為(α+β)兩相鈦合金，顯著降低合金的沖擊韌性和可焊接性；

4、本發明鈦合金中加有一定比例的Nb元素以改善合金的冷熱加工性能，促使合金組織更易被細化，提升合金塑性和沖擊韌性；同時Nb元素可微量強化合金中的β相。Nb元素含量太少，對合金性能的改善作用不明顯。Nb元素含量過高，顯著增加合金成本。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、本發明中等強度高沖擊韌性鈦合金具有良好的綜合性能。其抗拉強度Rm為550MPa～650MPa，屈服強度Rp_0.2為450MPa～550MPa，延伸率A為18％～28％，斷面收縮率Z為45％～60％，沖擊韌性a_KV為780kJ/m²～1600kJ/m²，基體及焊縫在60℃、3.5wt％NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕速率為0mm/a，在10m/s流速下，沖刷腐蝕速率≤4×10^-4mm/a；

2、本發明中等強度高沖擊韌性鈦合金易于制備，成分簡單且不易發生偏析，組織均勻且穩定，可以制成鑄件、棒材、板材、管材和鍛件等加工產品，適用于海洋工程領域；

3、本發明中等強度高沖擊韌性鈦合金在不添加有元素Ni的條件下，其屈服強度能夠達到450MPa～550MPa級別，并且具有與純鈦相當的塑性、韌性和耐海水腐蝕性，同時還具備優良的可焊接性和冷熱加工性，滿足批量化生產和工程化應用的要求。

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。

附圖說明

圖1為本發明實施例1中等強度高沖擊韌性鈦合金的金相組織圖。

具體實施方式

實施例1

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的成分為Ti-3.5Al-0.5Zr-1.2Mo-1.5Nb，即：合金成分按重量百分比計為Al 3.5％，Zr 0.5％，Mo 1.2％，Nb 1.5％，余量為Ti和不可避免的雜質。

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的制備過程為：采用Al-Mo中間合金、Al-Nb中間合金、鋁豆、海綿鋯和海綿鈦按設計成分配料并壓制電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2～3次的熔煉，將熔煉好的鑄錠在分別在1150℃、1050℃和950℃進行三次開坯鍛造，隨后在800℃～900℃范圍內進行成品加工得到直徑為20mm的棒材。該棒材經800℃/1h,AC簡單退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為645MPa，屈服強度為546MPa，斷后伸長率為19.5％，斷面收縮率為48％，沖擊吸收功為820kJ/m²。該棒材經900℃/1h,AC+700℃/4h,AC雙重退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為635MPa，屈服強度為532MPa，斷后伸長率為22.5％，斷面收縮率為50％，沖擊吸收功為880kJ/m²。合金基體及焊縫在60℃、3.5wt％NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕速率為0mm/a，在10m/s流速下，沖刷腐蝕速率2.2×10^-4mm/a。

圖1為本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金經900℃/1h,AC+700℃/4h,AC雙重退火處理后的金相組織圖。由圖1可知該合金為典型的近α型鈦合金，組織由約75％的等軸α相和約25％的β轉變組織組成，整體組織均勻細小無偏析，等軸α相平均尺寸不足10μm。

實施例2

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的成分為Ti-1.8Al-3Zr-0.5Mo-2.5Nb，即：合金成分按重量百分比計為Al 1.8％，Zr 3.0％，Mo 0.5％，Nb 2.5％，余量為Ti和不可避免的雜質。

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的制備過程為：采用Al-Mo中間合金、Al-Nb中間合金、鋁豆、海綿鋯和海綿鈦按設計成分配料并壓制電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2～3次的熔煉，將熔煉好的鑄錠在分別在1150℃、1050℃和950℃進行三次開坯鍛造，隨后在800℃～900℃范圍內進行成品加工得到直徑為20mm的棒材。該棒材經800℃/1h,AC簡單退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為572MPa，屈服強度為469MPa，斷后伸長率為25％，斷面收縮率為56％，沖擊吸收功為1070kJ/m²。該棒材經900℃/1h,AC+700℃/4h,AC雙重退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為566MPa，屈服強度為460MPa，斷后伸長率為25.5％，斷面收縮率為58％，沖擊吸收功為1120kJ/m²。合金基體及焊縫在60℃、3.5％NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕速率為0mm/a，在10m/s流速下，沖刷腐蝕速率1.3×10^-4mm/a。

實施例3

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的成分為Ti-2Al-1Zr-0.8Mo-1Nb，即：合金成分按重量百分比計為Al 2.0％，Zr 1.0％，Mo 0.8％，Nb 1.0％，余量為Ti和不可避免的雜質。

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的制備過程為：采用Al-Mo中間合金、Al-Nb中間合金、鋁豆、海綿鋯和海綿鈦按設計成分配料并壓制電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2～3次的熔煉，將熔煉好的鑄錠在分別在1150℃、1050℃和950℃進行三次開坯鍛造，隨后在800℃～900℃范圍內進行成品加工得到直徑為20mm的棒材。該棒材經800℃/1h,AC簡單退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為588MPa，屈服強度為470MPa，斷后伸長率為24％，斷面收縮率為55％，沖擊吸收功為1030kJ/m²。該棒材經900℃/1h,AC+700℃/4h,AC雙重退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為581MPa，屈服強度為466MPa，斷后伸長率為25％，斷面收縮率為57％，沖擊吸收功為1160kJ/m²。合金基體及焊縫在60℃、3.5％NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕速率為0mm/a，在10m/s流速下，沖刷腐蝕速率1.7×10^-4mm/a。

實施例4

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的成分為Ti-2.4Al-1.4Zr-2Mo-0.5Nb，即：合金成分按重量百分比計為Al 2.4％，Zr 1.4％，Mo 2.0％，Nb 0.5％，余量為Ti和不可避免的雜質。

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的制備過程為：采用Al-Mo中間合金、Al-Nb中間合金、鋁豆、海綿鋯和海綿鈦按設計成分配料并壓制電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2～3次的熔煉，將熔煉好的鑄錠在分別在1150℃、1050℃和950℃進行三次開坯鍛造，隨后在800℃～900℃范圍內進行成品加工得到直徑為20mm的棒材。該棒材經800℃/1h,AC簡單退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為622MPa，屈服強度為537MPa，斷后伸長率為23.5％，斷面收縮率為53％，沖擊吸收功為1140kJ/m²。該棒材經900℃/1h,AC+700℃/4h,AC雙重退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為611MPa，屈服強度為523MPa，斷后伸長率為24.5％，斷面收縮率為54％，沖擊吸收功為1320kJ/m²。合金基體及焊縫在60℃、3.5％NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕速率為0mm/a，在10m/s流速下，沖刷腐蝕速率2.5×10^-4mm/a。

實施例5

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的成分為Ti-1.5Al-2.6Zr-1Mo-3Nb，即：合金成分按重量百分比計為Al 1.5％，Zr 2.6％，Mo 1.0％，Nb 3.0％，余量為Ti和不可避免的雜質。

本實施例中等強度高沖擊韌性鈦合金的制備過程為：采用Al-Mo中間合金、Al-Nb中間合金、鋁豆、海綿鋯和海綿鈦按設計成分配料并壓制電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2～3次的熔煉，將熔煉好的鑄錠在分別在1150℃、1050℃和950℃進行三次開坯鍛造，隨后在800℃～900℃范圍內進行成品加工得到直徑為20mm的棒材。該棒材經800℃/1h,AC簡單退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為591MPa，屈服強度為497MPa，斷后伸長率為24％，斷面收縮率為54％，沖擊吸收功為1280kJ/m²。該棒材經900℃/1h,AC+700℃/4h,AC雙重退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為582MPa，屈服強度為473MPa，斷后伸長率為25.5％，斷面收縮率為57％，沖擊吸收功為1520kJ/m²。合金基體及焊縫在60℃、3.5％NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕速率為0mm/a，在10m/s流速下，沖刷腐蝕速率1.8×10^-4mm/a。

對比例1

本對比例合金的成分為Ti-2.6Zr-1Mo-3Nb，即：合金成分按重量百分比計為Zr 2.6％，Mo 1.0％，Nb 3.0％，余量為Ti和不可避免的雜質。

本對比例合金的制備過程為：采用Ti-Mo合金、Ti-Nb合金、海綿鋯和海綿鈦按設計成分配料并壓制電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2～3次的熔煉，將熔煉好的鑄錠在分別在1150℃、1050℃和950℃進行三次開坯鍛造，隨后在800℃～900℃范圍內進行成品加工得到直徑為20mm的棒材。該棒材經800℃/1h,AC簡單退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為507MPa，屈服強度為429MPa，斷后伸長率為25％，斷面收縮率為55％，沖擊吸收功為930kJ/m²。該棒材經900℃/1h,AC+700℃/4h,AC雙重退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為522MPa，屈服強度為436MPa，斷后伸長率為18.5％，斷面收縮率為43％，沖擊吸收功為820kJ/m²。合金基體及焊縫在60℃、3.5％NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕速率為0mm/a，在10m/s流速下，沖刷腐蝕速率2.4×10^-4mm/a。

經對比例1與實施例5對比可知，由于缺乏Al元素對α相的固溶強化作用，導致對比例1合金的強度大幅度下降，降低約15％，未達到中等強度級別。

對比例2

本對比例合金的成分為Ti-1.5Al-2.6Zr-1Mo，即：合金成分按重量百分比計為Al 1.5％，Zr 2.6％，Mo 1.0％，余量為Ti和不可避免的雜質。

本對比例合金的制備過程為：采用Al-Mo中間合金、鋁豆、海綿鋯和海綿鈦按設計成分配料并壓制電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2～3次的熔煉，將熔煉好的鑄錠在分別在1150℃、1050℃和950℃進行三次開坯鍛造，隨后在800℃～900℃范圍內進行成品加工得到直徑為20mm的棒材。該棒材經800℃/1h,AC簡單退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為567MPa，屈服強度為469MPa，斷后伸長率為17.5％，斷面收縮率為38％，沖擊吸收功為740kJ/m²。該棒材經900℃/1h,AC+700℃/4h,AC雙重退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為548MPa，屈服強度為446MPa，斷后伸長率為19％，斷面收縮率為41％，沖擊吸收功為770kJ/m²。合金基體及焊縫在60℃、3.5％NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕速率為0mm/a，在10m/s流速下，沖刷腐蝕速率2.1×10^-4mm/a。

經對比例2與實施例5對比可知，由于缺乏Nb元素對合金塑性和韌性的改善作用，導致對比例2合金的延伸率、斷面收縮率和沖擊吸收功均不同程度下降。同時由于Al元素含量為下限，合金屈服強度的余量不足。

對比例3

本對比例合金的成分為Ti-4.5Al-2.6Zr-1Mo-4Nb，即：合金成分按重量百分比計為Al 4.5％，Zr 2.6％，Mo 1.0％，Nb 4.0％，余量為Ti和不可避免的雜質。

本對比例合金的制備過程為：采用Al-Mo中間合金、Al-Nb中間合金、鋁豆、海綿鋯和海綿鈦按設計成分配料并壓制電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2～3次的熔煉，將熔煉好的鑄錠在分別在1150℃、1050℃和950℃進行三次開坯鍛造，隨后在800℃～900℃范圍內進行成品加工得到直徑為20mm的棒材。該棒材經800℃/1h,AC簡單退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為661MPa，屈服強度為570MPa，斷后伸長率為15.5％，斷面收縮率為34％，沖擊吸收功為670kJ/m²。該棒材經900℃/1h,AC+700℃/4h,AC雙重退火處理后，其室溫力學性能為：抗拉強度為647MPa，屈服強度為558MPa，斷后伸長率為16％，斷面收縮率為36％，沖擊吸收功為740kJ/m²。合金基體及焊縫在60℃、3.5％NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕速率為0mm/a，在10m/s流速下，沖刷腐蝕速率5.8×10^-4mm/a。

經對比例3與實施例5對比可知，由于Al元素含量超出上限，合金強度大幅提升，但塑性及韌性下降明顯。而通過熱加工制備鈦合金管材需要合金具備優異的塑性，因此高含量的Al元素會降低合金的可加工性。同時Al、Nb元素的增加導致合金在熔煉制備過程中需添加的中間合金更多，不利于雜質元素的控制，從而導致合金耐海水沖刷腐蝕性下降。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制。凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。