2024年6月12日发(作者：)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.2

(22)申请日 2008.03.26

(71)申请人 北京有色金属研究总院

地址 100088 北京市新街口外大街2号

(72)发明人 陈海珊 余明 崔雪飞 陶海明 魏衍广

(74)专利代理机构 北京北新智诚知识产权代理有限公司

代理人 程凤儒

(51)

C22F1/18

C22C14/00

(10)申请公布号 CN 101545084 A

(43)申请公布日 2009.09.30

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

Ti5Mo5V2Cr3Al合金β晶粒自细化

的加工工艺

(57)摘要

本发明提供一种钛合金的加工工

艺，具体而言，提供一种Ti5Mo5V2Cr3Al

钛合金β晶粒自细化的加工工艺，其包括

如下步骤：1.锻坯下料后，在锻机上于

1000～1100℃进行开坯锻；2.按需求切

料，在900～1000℃进行2～4次镦拔，锻

成直径90～160mm的棒材；3.在700～

800℃保温1～3小时，炉冷至室温；

4.500～560℃保温6～10小时；5.升温至

600～650℃保温1～3小时，炉冷至室温。

其中钛合金的主要合金元素含量(wt％)

为：Mo：4.5％～5.7％；V：4.5～5.7％；

Cr： 1.5％～2.5％；Al：2.5％～3.5％；余

量为钛。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金β晶粒自细化的加工工艺，其包括如下步骤：

(1)锻坯下料后，在锻机上于1000～1100℃进行开坯锻；

(2)按需求切料，在900～1000℃进行2～4次镦拔，锻成直径90～160mm的棒材；

(3)在700～800℃保温1～3小时，炉冷至室温；

(4)500～560℃保温6～10小时；

(5)升温至600～650℃保温1～3小时，炉冷至室温。

2.根据权利要求1所述的钛合金β晶粒自细化的加工工艺，其中所述钛合金的主要

合金元素含量(wt％)为：Mo：4.5％～5.7％；V：4.5～5.7％；Cr：1.5％～2.5％；

Al：2.5％～3.5％；余量为钛。

说 明 书

技术领域

本发明涉及钛合金的加工工艺，具体而言，涉及较大尺寸的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合

金棒材热处理的加工工艺。

背景技术

Ti5Mo5V3Al-XCr系钛合金是我国自主研发的一类系列合金，由于其高强度和高韧

性的特性，能够广泛地应用于航空航天领域。其中Ti5Mo5V2Cr3Al合金是在

Ti5Mo5V8Cr3Al钛合金基础上研制成功的一种近β型钛合金，由于其具有轻质、

高强度、高延性、优异的抗冲击性能和断裂韧性以及良好的锻造性能和机械加工性

能，适合于制造飞机的起落架及其他航空航天用大型锻件。

Ti5Mo5V2Cr3Al合金主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.5％～5.7％；V：4.5～

5.7％；Cr：1.5％～2.5％；Al：2.5％～3.5％；余量为钛。通常中、细尺寸棒材具

有优良的延性和冲击韧性，但随着棒材尺寸的增加，其延伸率、断面收缩率和冲击

韧性显著降低。我们知道，延伸率、断面收缩率是决定合金性能的重要指标，高的

延伸率、断面收缩率可以使合金在高强状态下具有优良的冷变形性能，可以抵抗裂

纹的产生和扩展，因而使合金具有高的冲击韧性、断裂韧性和抗疲劳性能。因此，

通过改进加工工艺，使热处理后的较大尺寸钛合金在保证一定强度的同时具有较高

的延性和冲击韧性成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的研究人员在Ti5Mo5V2Cr3Al合金热处理的工艺研究中发现，通过在热处

理过程中采用反复炉冷的加工工艺，可以使较粗的Ti5Mo5V2Cr3Al合金棒材中β

晶粒得到细化，经此工艺加工后的Ti5Mo5V2Cr3Al合金具有异常高的拉伸延性和

冲击韧性。由此提出本发明。

本发明提供一种Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金β晶粒自细化的加工工艺，其包括如下步

骤：

1.锻坯下料后，在锻机上于1000～1100℃进行开坯锻；

2.按需求切料，在900～1000℃进行2～4次镦拔，锻成直径90～160mm的棒材；

3.在700～800℃保温1～3小时，炉冷至室温；

4.500～560℃保温6～10小时；

5.升温至600～650℃保温1～3小时，炉冷至室温。

本发明的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金的加工工艺，其中钛合金的主要合金元素含量

(wt％)为：Mo：4.5％～5.7％；V：4.5～5.7％；Cr：1.5％～2.5％；Al：2.5％～

3.5％；余量为钛。

经本发明方法处理后的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金，β晶粒中初生α相大量析出并长

大，从而在β晶粒上新生了大量的界面，起到细化β晶粒的作用。因而在保证一定

强度的同时拉伸延性和冲击韧性有了极大的提高。

附图说明

图1为比较样品1金相组织图(×400)。

图2为样品1金相组织图(×500)。

具体实施方式

以下将详细描述本发明。

本发明的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金加工工艺中采用了固熔时效结合反复炉冷的热处

理工艺，得到了综合性能较佳的合金棒材。一方面，在略低于相变点的温度固溶可

以改善Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金的强韧性能，Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金的相变点约为

800℃，本发明加工工艺的固溶温度为700～800℃。另一方面，Ti5Mo5V2Cr3Al具

有较强的时效硬化能力，固溶后时效有利于提高合金的强度。再者，在常规热处理

工艺中，固溶及时效后通常采用空冷或水淬的冷却方式，结果合金组织呈粗大的β

晶粒；而本发明固溶及时效后采用反复炉冷工艺，从而在β相中产生大量初生α相，

有效提高了Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金锻件的断面收缩率以及冲击韧性。

以下结合实施例具体说明，但本发明并不限于该实施例。

实施例1

按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；

Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配

料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1050℃锻造开坯，于950℃

经3次火镦拔，锻成Φ160mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，炉冷至室温。

其后在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小

时，炉冷至室温。得到钛合金样品1。

实施例2

按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.51；

Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配

料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1000℃锻造开坯，于

1000℃经3次火镦拔，锻成Φ160mm棒材，在退火炉中于750℃保温2小时，炉冷

至室温。其后在1小时内升温至560℃保温6小时。随后在40分钟内升温至610℃

保温2小时，炉冷至室温。得到钛合金样品2。

实施例3

按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：2.47；

Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配

料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1100℃锻造开坯，于900℃

经3次火镦拔，锻成Φ160mm棒材，在退火炉中于720℃保温2小时，炉冷至室温。

其后在1.5小时内升温至500℃保温10小时。随后在40分钟内升温至600℃保温1

小时，炉冷至室温。得到钛合金样品3。

实施例4

按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；

Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配

料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1050℃锻造开坯，于950℃

经3次火镦拔，锻成Φ120mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，炉冷至室温。

其后在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小

时，炉冷至室温。得到钛合金样品4。

实施例5

按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.51；

Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配

料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1000℃锻造开坯，于950℃

经3次火镦拔，锻成Φ120mm棒材，在退火炉中于750℃保温2小时，炉冷至室温。

其后在1.5小时内升温至560℃保温8小时。随后在40分钟内升温至610℃保温2

小时，炉冷至室温。得到钛合金样品5。

实施例6

按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；

Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配

料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1000℃锻造开坯，于950℃

经3次火镦拔，锻成Φ90mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，炉冷至室温。

其后在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小

时，炉冷至室温。得到钛合金样品6。

实施例7

按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：2.47；

Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配

料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1100℃锻造开坯，于900℃

经3次火镦拔，锻成Φ90mm棒材，在退火炉中于720℃保温2小时，炉冷至室温。

其后在1.5小时内升温至500℃保温10小时。随后在40分钟内升温至600℃保温1

小时，炉冷至室温。得到钛合金样品7。

比较例1

按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；

Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配

料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1050℃锻造开坯，于950℃

经3次火镦拔，锻成Φ160mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，水淬。其后

在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小时，

空冷。得到钛合金比较样品1。

比较例2

按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；

Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配

料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1050℃锻造开坯，于950℃

经3次火镦拔，锻成Φ120mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，空冷至室温。

其后在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小

时，空冷至室温。得到钛合金比较样品2。

实施例8 钛合金的强度及拉伸性能实验

将样品1-7及比较样品1-2加工成Φ5mm的常规拉伸试样。试验在AG50KNE试验

机上完成。钛合金的强度及拉伸性能如表1所示。

表1

比较表1中的数据可知，较大尺寸的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金材料经固溶空冷时效

的工艺处理后，在强度为1000Mpa左右时，断面收缩率和抗冲击韧性有了很大的

提高，获得了接近小尺寸棒材的韧性指标，延伸率为13.5％～16.9％，断面收缩率

达到67.5％～72.6％，尤其是获得了非常高的冲击韧性90～97J/cm2。

实施例9

在金相显微镜下观察样品1和比较样品l的金相结构。

结果如图1、图2所示，图1为比较例1中钛合金Φ160mm锻件经固溶空冷时效后

的金相照片，获得的比较样品1组织为粗大的等轴状晶粒，并没有看到初生α相，

视场范围内全是由时效基体β相组成，这种组织对材料的延性及韧性有消极作用。

图2是实施例1中钛合金Φ160mm锻件经固熔炉冷时效后的金相照片，可以看出

组织由岛状或长条状的初生α相和β基体组成。初生α相数量很多，分布纵横交错。

对比两张金相图片发现，通过控制热处理制度及冷却速度，可以控制初生α相的生

成，从而能有效提高较大尺寸Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金锻件的断面收缩率以及冲击

韧性。