CN103180470A - 具有良好防弹和机械特性的低成本α-β钛合金 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种由低成本组合物形成的α-βTi合金，其具有改进的机械和防弹特性。在一个实施方式中，以重量%计，Ti合金由4.2-5.4重量%铝、2.5-3.5重量%钒、0.5-0.7重量%铁和0.15-0.19重量%氧以及余量钛组成。示例性Ti合金的拉伸屈服强度至少约为120,000psi，纵向和横向的极限拉伸强度至少约为128,000psi，面积减少至少约为43%，伸长率至少约为12%，厚度约为0.430英寸板材的V₅₀防弹极限约为1936fps。可以使用回收料和新原料的混合来制造Ti合金，从而提供了一种低成本途径来形成用于军事系统的高质量装甲板。

Description

具有良好防弹和机械特性的低成本α-β钛合金

本申请是国际PCT申请，要求2010年8月5日提交的美国非临时申请第12/850,691号的优先权，其全文通过引用结合入本文。

背景技术

I.发明领域

本发明一般地涉及钛（Ti）合金。本发明具体涉及通过较低成本组合物实现的改进了防弹和机械特性的组合的α-β钛合金，以及钛合金的制备方法。

II.相关技术领域

Ti合金广泛地用于需要高强度-重量比、良好的耐腐蚀性和在提升的温度下保留这些特性的应用中。尽管具有这些优点，但是Ti合金相比于钢和其他合金的较高原材料和加工成本，严重地限制了它们在那些对于改善的效率和性能的需求超过其较高成本的应用中的使用。得益于结合Ti合金的各种能力的一些典型应用包括：例如飞机组件、医疗器件、高性能汽车、高级体育器材以及军事应用。

成功用于军事系统的传统Ti基合金是Ti-6Al-4V，其被称为Ti64。如名称所示，所述Ti合金通常包含6重量%的铝（Al）和4重量%的钒（V）以及高至0.30重量%的铁（Fe）和高至0.30重量%的氧（O）。

Ti64的发展提供了一种用于军用地面车辆系统的结合了诱人的防弹和机械特性的合金。采用可焊接锻造钛合金如Ti64作为结构装甲板的军事应用通常具有严格的组成和性能要求。例如，在题为“Detail Specification;Armor Plate,Titanium Alloy,Weldable(具体规格；装甲板，钛合金，可焊接)”（MIL-DTL-46077G,2006）美国国防部的文件中，通过严格的元素组成范围和密度要求以及最小机械和防弹特性定义了四类Ti64锻造钛合金装甲。因此对于基于Ti合金的装甲板，目的是提供一种Ti合金，其符合或高于所建立标准的同时使得相关原材料和加工成本最小化。

之后有许多方法尝试以低成本来生产具有所需性质的组合的Ti合金。例如，通过电子束一次熔炼法（EBSM）来生产Ti合金。该方法制备Ti合金的成本较低，并使得它们能用于其他军事系统中。另一个方法着重于用一定量的铁（Fe）代替钒（V）作为Ti合金中的β稳定剂，以降低原材料成本（例如，Kosaka等的美国专利第6,786,985号所述）（下文称作“Kosaka”）。但是，Kosaka开发的Ti合金要求包含钼（Mo）。

另一种方法涉及开发实现了完全在合金的β相区域的温度内从锭坯加工成轧制成品的Ti合金组合物（例如，Adams等的美国专利第5,342,458号所述）（下文称作“Adams”）。Adams表示，所述合金在较高温度下存在的较好延展性和较低流动应力使得表面和末端的裂缝最小化，从而增加了产率。YojiKosaka的美国专利第5,980,655号和William W.Love的美国专利第5,332,545号揭示了如下方法，在该方法中通过使得氧浓度超过标准军事手册中规定的范围来形成提升了机械和防弹特性的Ti64合金。

一系列的Ti合金具有与Ti64类似的组成，但是其中所包含的额外组分同样是本领域已知的。开发这些Ti合金以提供具有可接受水平的延展性的低成本高强度Ti合金。Paul J.Bania的美国专利第7,008,489号提供了一个例子，在一个实施方式中，揭示了一种在给定强度水平下延展性提升了至少20%的Ti合金。但是，除了Ti64中存在的基础Ti-Al-V-Fe-O组分之外，所揭示的合金还包含锡（Sn）、锆（Zr）、铬（Cr）、钼（Mo）和硅（Si）浓度。所述合金中存在的大量元素必然增加了这样形成的Ti合金的原材料成本。

另一个由Nasserrafi等的美国专利申请公开第2006/0045789号（以下称作“Nasserrafi”）提供的例子涉及可以由回收的钛制备的Ti合金。在一个实施方式中，Nasserrafi揭示了一种包含Ti-Al-V的Ti合金；但是所述合金还包含选自Cr、Fe和锰（Mn）的浓度为1.0-5.0重量%的一种或多种元素。较高水平的Cr、Fe和Mn以及低延展性限制了合金在军事系统中的可应用性。本文中提到的前述所有专利和专利申请都通过引用全文结合入本文中。

虽然迄今为止已经从组成、特性和加工成本的角度获得了一些改进，但是仍然需要开发新的改进的Ti合金及其相关制备方法，所述方法以不断降低的成本实现最低机械和防弹性能标准。

发明内容

本发明揭示了一种使用低成本组合物实现的具有良好的防弹和机械特性的结合的Ti合金。所述Ti合金特别优选用于军事应用中的装甲板，但不限于此，还可适用于许多其他应用。在一个实施方式中，以重量%计，Ti合金基本由4.2-5.4重量%铝、2.5-3.5重量%钒、0.5-0.7重量%铁和0.15-0.19重量%氧以及余量钛组成。在一个特定实施方式中，以重量%计，Ti合金基本由约4.8重量%铝、约3.0重量%钒、约0.6重量%铁、约0.17重量%氧和余量钛组成。在另一个实施方式中，钛合金中存在的任意一种杂质元素的最大浓度为0.1重量%，所有杂质的总浓度小于或等于0.4重量%。

具有所揭示的组成的Ti合金有利于提供低成本Ti合金，所述低成本Ti合金的拉伸屈服强度（TYS）至少约为120,000磅/平方英寸（psi），在纵向和横向的极限拉伸强度（UTS）都至少约为128,000psi，同时面积减少（RA）至少约为43%，伸长率至少约为12%。在一个特定实施方式中，可以将Ti合金形成板，其厚度在约0.425英寸至约0.450英寸之间，V₅₀防弹极限至少约为1848英尺/秒（fps）。在另一个特定实施方式中，Ti合金板的厚度约为0.430英寸，V₅₀防弹极限约为1936fps。

在一个实施方式中，Ti合金的β同晶形(β_ISO)稳定剂与β共析(β_EUT)稳定剂的比例（β_ISO/β_EUT）约为0.9-1.7，其中β同晶形稳定剂与β共析稳定剂的比例定义如下：

$\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ISO}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{EUT}}}=\frac{\mathrm{Mo}+\frac{V}{1.5}}{\frac{\mathrm{Cr}}{0.65}+\frac{\mathrm{Fe}}{0.35}}$

在说明书通篇所提供等式中，Mo、V、Cr和Fe分别表示Ti合金中钼、钒、铬和铁的重量%。在一个特定实施方式中，β同晶形稳定剂与β共析稳定剂的比例约为1.2。

在另一个实施方式中，Ti合金的钼当量（Mo_eq）约为3.1-4.4，其中钼当量定义如下：

${\mathrm{Mo}}_{\mathrm{eq}}=\mathrm{Mo}+\frac{V}{1.5}+\frac{\mathrm{Cr}}{0.65}+\frac{\mathrm{Fe}}{0.35}.$

在一个特定实施方式中，钼当量约为3.8。在另一个实施方式中，Ti合金的铝当量（Al_eq）约为8.3-10.5，其中铝当量定义如下：

Al_eq=Al+27O

在该等式中，Al和O分别表示Ti合金中铝和氧的重量%。在一个特定实施方式中，铝当量约为9.4。

在另一个实施方式中，Ti合金的β转变温度（T_β）约为1732-1820°F，其中，β转变温度定义如下，单位为°F：

T_β=1607+39.3Al+330O+1145C+1020N–21.8V–32.5Fe–17.3Mo–70Si–27.3Cr.

在该等式中，C、N和Si分别表示Ti合金中碳、氮和硅的重量%。在一个特定实施方式中，β转变温度约为1775°F。在一个实施方式中，Ti合金的密度范围约为0.161-0.163磅/立方英寸（lb/in³），在一个特定实施方式中，Ti合金的密度约为0.162lb/in³。

在另一个实施方式中，揭示了一种制造Ti合金的方法，以重量%计，所述Ti合金基本由4.2-5.4重量%铝、2.5-3.5重量%钒、0.5-0.7重量%铁和0.15-0.19重量%氧以及余量钛组成。在一个特定实施方式中，通过以下方法生产Ti合金：将包含适当比例的铝、钒、铁和钛的回收料和/或新原料的组合熔于冷床炉中以形成熔融合金，并将所述熔融合金浇铸到模具中。所述回收料可以包含例如Ti64屑和商用纯（CP）钛废料。所述新原料可包含例如，海绵钛、铁粉末和铝散粒。在另一个特定实施方式中，所述回收料包含约70.4%Ti64屑、约28.0%海绵钛、约0.4%铁和约1.1%铝散粒。

在另一个实施方式中，将Ti合金浇铸到矩形模具中以形成矩形板坯，该矩形板坯的组成如下：以重量%计，4.2-5.4重量%铝、2.5-3.5重量%钒、0.5-0.7重量%铁、0.15-0.19重量%氧和余量钛。在一个特定实施方式中，在低于β转变温度的温度对浇铸板坯进行退火之前，可以在高于β转变温度的温度对其进行初始锻造或辊轧，并在低于β转变温度的温度对其进行最终辊轧。

本说明书揭示的Ti合金提供了常规Ti64合金的较低成本的替代物，同时符合或高于为Ti64合金所建立的机械和防弹特性。所述成本的降低使得在那些需要类似特性的组合的各种军事和其他应用中更广泛地采用Ti合金。

附图简要说明

附图结合在说明书中，构成本说明书的一部分，附图中显示了本发明示例性实施方式并用来解释本发明的原理。

图1所示是根据本发明示例性实施方式生产Ti合金的方法的流程图。

图2A是实际穿甲弹.30口径M2穿甲弹的示意图。

图2B是用于实际测试中的实际穿甲弹.30口径M2穿甲弹的照片。

图3所示是装甲板V₅₀防弹极限测试的测试范围配置。

图4显示穿透装甲板的概率与枪口和装甲板之间的中间位置测得的穿甲弹速度的关系图的例子。

图5显示V₅₀防弹极限与示例性Ti合金的板材厚度的关系。

图6是显示V₅₀防弹极限与示例性Ti合金的板材厚度的关系的图5在0.40-0.46英寸厚度范围的放大图。

除非另外说明，否则，在附图中，相同的附图标记和字符表示所示实施方式类似的特征、元件、部件或部分。虽然本发明参照附图进行详细描述，但是这是结合所示的实施方式进行的描述。

发明详述

描述了使用较低成本材料形成的具有良好机械和防弹特性的示例性Ti合金。所述Ti合金特别适合用作军事系统中的装甲板或者用于要求金属合金具有优异的强度-重量比和良好的射弹撞击之后的耐穿透性的应用中。所述Ti合金实现了符合最低军事标准的机械强度和防弹特性的组合，同时降低了组成和加工成本。由于越来越有利的成本考虑，较低的原材料和加工成本有助于更广泛地采用本发明所揭示的Ti合金。

在一个实施方式中，以重量%计，示例性Ti合金包含4.2-5.4重量%铝、2.5-3.5重量%钒、0.5-0.7重量%铁、0.15-0.19重量%氧和余量钛以及不可避免的杂质。

作为钛中的合金元素，铝是α稳定剂，其提升了α相稳定时的温度。在一个实施方式中，Ti合金中存在4.2-5.4重量%的铝。在一个特定实施方式中，存在约4.8重量%的铝。

作为钛中的合金元素，钒是同晶形β稳定剂，其降低了β转变温度。在一个实施方式中，Ti合金中存在2.5-3.5重量%的钒。在一个特定实施方式中，存在约3.0重量%的钒。

作为钛中的合金元素，铁是共析β稳定剂，其降低了β转变温度，并且铁是室温下钛中的强化元素。在一个实施方式中，Ti合金中存在0.5-0.7重量%的铁。在一个特定实施方式中，存在约0.6重量%的铁。但是，如果铁浓度超过本说明书所揭示的上限，则在锭坯固化过程中会发生过量的溶质离析，这会对防弹和机械特性产生负面影响。另一方面，使用的铁水平低于本说明书所揭示的下限会产生不符合所需强度和防弹特性的合金。

作为钛中的合金元素，氧是α稳定剂，并且氧是室温下钛合金中有效的强化元素。在一个实施方式中，Ti合金中存在0.15-0.19重量%的氧。在一个特定实施方式中，存在约0.17重量%的氧。如果氧含量太低，则强度会过低，β转变温度会过低并会增加Ti合金的成本，因为在Ti合金的熔融时不适用废金属。另一方面，如果氧含量过高，则防弹撞击之后的耐裂缝性会劣化。

根据本发明的一些实施方式，Ti合金还可包含非故意的杂质或者其他元素例如Mo、Cr、N、C、Nb、Sn、Zr、Ni、Co、Cu和Si等，它们的浓度与杂质水平有关。还可以存在浓度最高为0.05重量%的氮（N）。在一个特定实施方式中，任意一种杂质元素的最大浓度为0.1重量%，所有杂质的总浓度不大于0.4重量%。

根据一个实施方式，Ti合金的β同晶形(β_ISO)稳定剂与β共析(β_EUT)稳定剂的比例（β_ISO/β_EUT）约为0.9-1.7，其中β同晶形稳定剂与β共析稳定剂的比例定义如下式(1)：

$\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ISO}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{EUT}}}=\frac{\mathrm{Mo}+\frac{V}{1.5}}{\frac{\mathrm{Cr}}{0.65}+\frac{\mathrm{Fe}}{0.35}}---\left(1\right)$

在说明书通篇所提供等式中，Mo、V、Cr和Fe分别表示Ti合金中钼、钒、铬和铁的重量%。在一个特定实施方式中，β同晶形稳定剂与β共析稳定剂的比例约为1.2。

根据本发明的另一个实施方式，Ti合金的钼当量（Mo_eq）约为3.1-4.4，其中钼当量定义如下式(2)：

${\mathrm{Mo}}_{\mathrm{eq}}=\mathrm{Mo}+\frac{V}{1.5}+\frac{\mathrm{Cr}}{0.65}+\frac{\mathrm{Fe}}{0.35}---\left(2\right)$

在一个特定实施方式中，钼当量约为3.8。虽然Mo和Cr不是本发明揭示的Ti合金的主要组分，但是它们可能以痕量浓度存在（例如，小于或等于杂质水平），因此可用于计算β_ISO/β_EUT和Mo_eq。在另一个实施方式中，Ti合金的铝当量（Al_eq）约为8.3-10.5，其中铝当量定义如下式(3)：

Al_eq=Al+27O   (3)

在该等式中，Al和O分别表示Ti合金中铝和氧的重量%。在一个特定实施方式中，铝当量约为9.4。

在另一个实施方式中，Ti合金的β转变温度（T_β）约为1732-1820°F，其中，β转变温度定义如下式(4)，单位为°F：

T_β=1607+39.3Al+330O+1145C+1020N–21.8V–32.5Fe–17.3Mo–70Si–27.3Cr   (4)

在该等式中，C、N和Si分别表示Ti合金中碳、氮和硅的重量%。在钼当量的情况下，虽然C、N和Si不是Ti合金的主要组分，但是它们可能作为不可避免的杂质存在。在一个特定实施方式中，β转变温度约为1775°F。

Ti合金实现了优异的拉伸特性，例如拉伸屈服强度（TYS）至少约为120,000磅/平方英寸（psi），纵向和横向的极限拉伸强度（UTS）都至少约为128,000psi。在另一个实施方式中，Ti合金的伸长率至少约为12%和/或面积减少（RA）至少约为43%。Ti合金的计算密度在约0.161-0.163磅/立方英寸（lb/in³）之间，标称密度约为0.162lb/in³。

Ti合金还提供了优异的防弹特性。通过炮弹或射弹穿透防弹板所需的平均速度（V₅₀）提供了防弹板的有效性测量。例如，当形成厚度约为0.425-0.450英寸的防弹板时，Ti合金的V₅₀防弹极限至少约为1848fps。在一个特定实施方式中，厚度约为0.430英寸的Ti合金防弹板的V₅₀防弹极限至少约为1936fps。用于测试Ti合金的V₅₀防弹极限的过程参考以下实施例所述。

根据另一个实施方式，提供了包含本发明所述Ti合金的板材。在一个特定实施方式中，本发明的Ti合金用作装甲板。但是，Ti合金的其他合适的应用包括但不限于，军事系统的其他组件以及车辆和飞机部件，例如座椅轨道和防腐蚀外壳。

在另一个实施方式中，揭示了一种制备具有良好机械和防弹特性的Ti合金的方法。所述方法包括将源材料的组合以适当比例熔融以形成Ti合金，以重量%计，所述Ti合金基本由4.2-5.4重量%铝、2.5-3.5重量%钒、0.5-0.7重量%铁和0.15-0.19重量%氧以及余量钛组成。可以在例如冷床炉中完成所述熔融。在一个特定实施方式中，所述源材料包含回收料和新原料的组合，例如钛屑和海绵钛以及少量铁和铝。在大多数市场条件下，使用回收料明显节约了成本。所使用的回收料可以包括但不限于，Ti64、Ti-10V-2Fe-3Al、其他Ti-Al-V-Fe合金以及CP钛。所述回收料可以是加工碎片（屑）、固态片或者重熔融电极的形式。所使用的新原料可以包括但不限于，海绵钛、铝-钒母合金、铁粉末或者铝散粒。因为无需铝-钒母合金，所以可以显著节约成本。但是，这并没有排除如果需要的话使用除了回收料之外的包括海绵钛和合金元素的新原料。

在一些实施方式中，制备方法包括在亚转变温度（例如，低于β转变温度）对Ti合金进行退火热处理。所使用的Ti合金可具有本说明书所述的任意特性。

在一些实施方式中，所述制造方法还包括对合金进行真空电弧重熔（VAR）并在高于β转变温度对Ti合金进行锻造和/或辊轧，之后在低于β转变温度对Ti合金进行锻造和/或辊轧。在一个特定实施方式中，Ti合金的制备方法生产用于军事系统的组件，更具体地，用于生产装甲板。

图1所示是制备Ti合金的示例性方法的流程图。首先，在步骤100中制备具有合适浓度和比例的所需量的原材料。在一个特定实施方式中，原材料包含回收料，但是它们可以与合适组成的新原料以任意组合进行混合。完成制备后，在步骤110中熔融原材料并浇铸以生产锭坯。可以通过例如VAR、等离子体电弧熔融、电子束熔融、自耗电极渣壳熔融或其组合来完成所述熔融。在一个特定实施方式中，通过VAR制备双熔锭坯，并直接浇铸到圆形模具中。

在步骤120中，对锭坯进行初始锻造和辊轧。在高于β转变温度进行所述初始锻造和辊轧，以纵向进行辊轧。在步骤130中，对锭坯进行最终锻造和辊轧。在低于β转变温度进行所述最终锻造和辊轧，以纵向和横向进行辊轧。在一个特定实施方式中，接着在步骤140中以亚转变温度对锭坯进行退火。最终经过辊轧的产品的厚度可以在约0.1-4.1英寸的范围内，但不限于此。

在一些实施方式中，可以通过热辊轧和可任选的冷辊轧完成辊轧至规格低于0.4英寸，以生产卷状或条状产品。在另一个实施方式中，通过热辊轧或冷辊轧作为单板或者装入钢包装中的多块板的板材来完成薄规格板产品的辊轧。

以下实施例描述了示例性钛合金的其他细节及其制备方法。

示例性实施方式

该部分提供的实施例用于说明所用的加工步骤，以及根据本发明实施方式制备的Ti合金的所得到的组成和特性。下述Ti合金及其制备方法作为例子提供而非限制性的。

对比例

首先制备数种Ti合金作为对比例，它们的元素浓度在本说明书所揭示的V、Fe和O的范围之外。对于各对比Ti合金，通过将原材料混合在一起实现所需的适当比例来形成对比Ti合金。使用约5.0重量%铝、约4.0重量%钒、约0.03重量%铁、约0.22重量%氧以及余量钛的标称组合物来制备对比Ti合金#C1。使用约5.0重量%铝、约4.0重量%钒、约0.03重量%铁、约0.12重量%氧以及余量钛的标称组合物来制备对比Ti合金#C2。使用约5.0重量%铝、约5.0重量%钒、约0.6重量%铁、约0.19重量%氧以及余量钛的标称组合物来制备对比Ti合金#C3。

将对比Ti合金#C1-C3浇铸到圆形单独锭坯中，并在高于β转变温度转变成中间板坯。在低于β转变温度进行最终辊轧和横辊轧。在低于β转变温度的温度进行最终退火。对比Ti合金#C1-C3在1400°F的温度进行2小时最终退火，样品在空气中冷却。

在对比Ti合金#C1-C3上进行化学分析，测量它们的机械和防弹特性。测得的组成和Al_eq、Mo_eq、T_β以及密度的计算值见下表1；

表1：对比Ti合金#C1-C3的化学组成和参数

测量由对比Ti合金#C1-C3组成的板材的机械特性，见下表2。对单个锭坯进行多次测量，结果见表2中同一组中的各行。测量板材的横向（T）和纵向（L）拉伸特性。在表2中，ksi表示千磅/平方英寸（1ksi=1,000psi）。对于对比Ti合金#C1，表2中测得的拉伸特性所得到的平均UTS、TYS、RA和伸长率分别为131ksi、122.3ksi、36%和10.3%；对于对比Ti合金#C2分别为131ksi、123ksi、34%和11%；对于对比Ti合金#C3分别为133.8ksi、124.3ksi,42%和12.3%。

表2：对比Ti合金#C1-C3的拉伸特性的总结

使用.30口径(7.62mm)166-克令(grain)穿甲弹(AP)M2弹药测量对比Ti合金板材的最低保护V₅₀防弹极限。图2A所示是a.30AP M2弹药的截面示意图，而图2B所示是实际的样品。所述.30口径弹药包含淬硬钢核心、顶端填料和镀金金属护套。根据例如美国国防部“Military Standard;V₅₀Ballistic Test forArmor(军事标准；装甲的V₅₀防弹测试)”（MIL-STD-662E,2006）的标准军事测试过程进行防弹测试。

图3所示是装甲板V₅₀防弹极限测试的示意性测试范围配置。第一和第二光电屏幕与记时计配合使用，以计算武器枪口和靶之间中点处的射弹速度。在环境条件（70-75°F(21-24°C)，35-75%相对湿度）下以零度倾斜度进行测试。各板材的记录厚度值是板材各角落测得的厚度的平均值。将厚度为0.020英寸（0.51mm）的2024-T3铝验证板放在靶板后6英寸（152mm）处。将验证板的任意穿孔定义为完全穿透装甲测试样品。

每次测试分别由以下步骤组成：以不同速度发射射弹，然后评价特定的撞击是否导致完全穿透（即，验证板的穿孔）或部分穿透。完全穿透的最小平均速度和部分穿透的最大平均速度则用于估算V₅₀值。样品的计算结果如图4所示，其显示了对于厚度为0.430英寸的Ti合金板的穿透概率（%）与撞击速度（ft/s或者fps）的关系。图4中进行测试的Ti合金板的制备方法、组成和性质如以下实施例#1所述。图4中的实心菱形表示部分穿透（PP）板材，而实心正方形表示完全穿透（CP）板材。通过对产生CP的撞击速度和产生PP的撞击速度取平均值计算V₅₀值。图4中的例子的V₅₀平均值为1936fps。因此，V₅₀值是便于产生的数值，广泛地用于量化给定类型的装甲对于给定的撞击所提供的防弹保护。

加工对比Ti合金，对于对比Ti合金#C1形成厚度约为0.440英寸的板材，对于对比Ti合金#C2形成厚度约为0.449英寸的板材，对于对比Ti合金#C3形成厚度约为0.426英寸的板材。根据如上定义的美国国防部标准并参考图2-4测量各对比Ti合金#C1-C3的防弹特性，结果见下表3。对比Ti合金#C1-C3测得的V₅₀防弹极限分别约为1922fps、约1950fps以及约1888fps。

表3中还提供了板厚度与对比Ti合金#C1-C3的实验值相同的Ti64合金的防弹数据的计算值。各对比Ti合金的V₅₀值相对于Ti64的V₅₀计算值的提升记作“Δvs.Ti64”，包含在表3的最右列中。Ti合金#C1-C3的V₅₀值比具有相同厚度的Ti64的V₅₀计算值分别高10、12和16fps。表3中所示的V₅₀最小值表示美国国防部在MIL-DTL-46077G,2006中对于规定板厚度所要求的V₅₀最小值。例如，厚度为0.440英寸的板材要求V₅₀最小值为1895fps。表3所示的ΔV₅₀值表示各对比Ti合金的V₅₀最小值和V₅₀测量值之差。

表3：对比Ti合金#C1-C3的防弹结果的总结

实施例#1：

通过先将原材料混合在一起实现正确的比例来制备标称组成为约5.0重量%铝、约3.0重量%钒、约0.6重量%铁、约0.19重量%氧以及余量钛的示例性Ti合金，将其称为Ti合金#1。上述配方的成本分析显示每磅最终成品板坯的成本明显低于通过电子束一次熔融法制备的传统Ti64合金的成本。通过VAR将原材料制备成直径为6.5英寸的双熔锭坯。

以对比Ti合金#C1-C3相同方式加工Ti合金#1。将Ti合金#1浇铸成锭坯，并在高于β转变温度下将其转变成中间板坯。然后在低于β转变温度进行最终辊轧和横辊轧。在低于β转变温度的温度进行最终退火。在本实施方式中，在1400°F进行2小时最终退火，样品在空气中冷却。

对得到的Ti合金#1板材进行化学分析并测量机械特性。Ti合金#1的组成为4.82重量%铝、2.92重量%钒、0.61重量%铁、0.19重量%氧以及余量钛。还发现存在浓度为0.001重量%的氮。Ti合金板β同晶形(β_ISO)稳定剂与β共析(β_EUT)稳定剂的比例（β_ISO/β_EUT）为1.2，铝当量Al_eq为10.0，钼当量Mo_eq为3.7，β转变温度T_β为1786°F，密度为0.162lb/in³。分别在横向（T）和纵向（L）测量板材的拉伸特性，相同样品进行多次测量。这些测定结果见下表4所示。表4中测得的拉伸特性所得到的平均UTS为129ksi、平均TYS为121ksi、平均RA为47.5%，平均伸长率为13%。

表4：Ti合金#1的拉伸特性的总结

对组成为4.82重量%铝、2.92重量%钒、0.61重量%铁、0.19重量%氧以及余量钛的示例性Ti合金#1进行加工，以得到厚度约为0.430英寸的板材。测得Ti合金#1的V₅₀值约为1936fps。这高于美国国防部对于厚度为0.430英寸装甲板所建立的1864fps的最小值，ΔV₅₀为72fps。

比较Ti合金#C1-C3和Ti合金#1所得到的防弹数据如图5所示，并对比Ti64合金所得到的现有结果，例如，J.C.Fanning在“Ballistic Evaluation ofTIMETAL6-4Plate for Protection Against Armor Piercing Projectiles(钛金属6-4板对于穿甲弹防弹保护的评估)”（第九届世界钛会议的会议论文集第II卷，第1172-78页(1999)），其全文通过引用结合入本文。如虚线所示（其对于Ti64数据是最佳拟合（R²=0.9964）），对于Ti64合金，V₅₀与板厚度之间具有强线性相关性。图6所示是图5的放大图，显示在0.40-0.46英寸厚度范围内的V₅₀值。在图5-6中，示例性Ti合金#1的数据是空心三角。虽然相对于具有相同厚度的传统Ti64合金，对比Ti合金#C1-C3以及Ti合金#1都显示出V₅₀值的提升，但是图5-6的结果显示Ti合金#1得到的提升最大。也就是说，示例性Ti合金#1超过Ti64的值比其他所有合金都大得多。它还比Ti64合金的V₅₀预测值1883fps高53fps，这也是明显的提升。

因此以重量%计，本说明书揭示的基本由4.2-5.4重量%铝、2.5-3.5重量%钒、0.5-0.7重量%铁和0.15-0.19重量%氧以及余量钛组成的示例性Ti合金提供了一种低成本组合物，其具有与传统Ti64合金相同或者更好的机械和防弹特性。所获得的机械和防弹特性超过了美国国防部在“Detail Specification;ArmorPlate,Titanium Alloy,Weldable(具体规格；装甲板，钛合金，可焊接)”（MIL-DTL-46077G,2006）中对于等级4装甲板的军事规格。本说明书揭示的示例性Ti合金具有以下优势：提供了较低成本的组合物和易于制造特别适合用作军事系统中的装甲板的Ti合金。

为了清楚起见，在描述本发明的实施方式时，以下术语定义如下。所有的拉伸测试都根据ASTM E8标准进行，而防弹测试根据美国国防部在“MilitaryStandard;V₅₀Ballistic Test for Armor(军事标准；装甲的V₅₀防弹测试)”（MIL-STD-662E,2006）中的过程进行。

拉伸屈服强度：材料从应力和应变的比例展现出规定极限偏差（0.2%）时的工程拉伸应力。

极限拉伸强度：材料能够维持得住的最大工程拉伸应力，由进行拉伸测试时发生破裂的最大负荷以及样品的原始横截面积计算得到。

弹性模量：拉伸测试过程中，应力与低于比例极限的相应应变的比例。

伸长率：在拉伸测试时，标距在断裂之后的增加（表示为原始标距的百分数）。

面积减少：在拉伸测试时，拉伸样品在断裂之后横截面积的减小（表示为原始横截面积的百分数）。

V₅₀防弹极限：规定射弹类型以规定方式穿透具有规定尺寸和与射弹相对设置的合金板所需的平均速度。通过对产生完全穿透的撞击速度和产生部分穿透的撞击速度取平均值计算得到V₅₀。

α稳定剂：当融于钛时，导致β转变温度增加的一种元素。

β稳定剂：当融于钛时，导致β转变温度下降的一种元素。

β转变温度：钛合金完成从α+β晶体结构同素异形转变为β晶体结构的最低温度。也称作β转化温度。

共析化合物：通过钛富集β相分解形成的钛和过渡金属的金属互化物。

共晶形β稳定剂：与β钛具有类似相关系的β稳定化元素，不和钛形成金属互化物。

共析β稳定剂：能够与钛形成金属互化物的β稳定化元素。

本领域技术人员应理解，本发明不限于上文具体所示和所述内容。相反，本发明的范围由所附权利要求书定义。还应理解，上文仅代表本发明实施方式的示例性例子。为了便于理解，上文着重于可能的实施方式的代表性例子，该例子揭示了本发明的原理。通过不同实施方式的部分的不同结合可以得到其他实施方式。

本发明并不尝试详尽列举所有可能的变化。其他替代实施方式可以不给出本发明的一个特定部分，并可能是由所述部分的不同组合得到的，或者其他未描述的替代实施方式可能是由一部分得到的，但不应被理解为不要求保护那些替代实施方式。应理解，所述许多未描述的实施方式及其等价形式落在所附权利要求书的范围内。此外，本说明书中引用的所有参考文献、公开出版物、美国专利以及美国专利申请公开文件通过引用全文结合入本说明书。

在说明书和权利要求书中，所有的百分数都是重量百分数（重量%）。

Claims (23)

1.一种钛合金，以重量%计，该钛合金基本由4.2-5.4重量%铝、2.5-3.5重量%钒、0.5-0.7重量%铁和0.15-0.19重量%氧以及余量钛组成。

2.如权利要求1所述的钛合金，其特征在于，以重量%计，所述钛合金基本由约4.8重量%铝、约3.0重量%钒、约0.6重量%铁、约0.17重量%氧和余量钛组成。

3.如权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述合金的β同晶形(β_ISO)稳定剂与β共析(β_EUT)稳定剂的比例（β_ISO/β_EUT）约为0.9-1.7，其中β_ISO/β_EUT定义如下：

$\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ISO}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{EUT}}}=\frac{\mathrm{Mo}+\frac{V}{1.5}}{\frac{\mathrm{Cr}}{0.65}+\frac{\mathrm{Fe}}{0.35}}$

其中，Mo、V、Cr和Fe分别表示合金中钼、钒、铬和铁的重量%。

4.如权利要求3所述的钛合金，其特征在于，所述合金的β同晶形(β_ISO)稳定剂与β共析(β_EUT)稳定剂的比例（β_ISO/β_EUT）约为1.2。

5.如权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述合金的钼当量Mo_eq约为3.1-4.4，其中Mo_eq定义如下：

${\mathrm{Mo}}_{\mathrm{eq}}=\mathrm{Mo}+\frac{V}{1.5}+\frac{\mathrm{Cr}}{0.65}+\frac{\mathrm{Fe}}{0.35},$

其中，Mo、V、Cr和Fe分别表示合金中钼、钒、铬和铁的重量%。

6.如权利要求5所述的钛合金，其特征在于，所述合金的钼当量Mo_eq约为3.8。

7.如权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述合金的铝当量Al_eq约为8.3-10.5，其中Al_eq定义如下：

Al_eq=Al+27O，

其中，Al和O分别表示合金中铝和氧的重量%。

8.如权利要求7所述的钛合金，其特征在于，所述合金的铝当量Al_eq约为9.4。

9.如权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述合金的β转变温度（T_β）约为1732-1820°F。

10.如权利要求9所述的钛合金，其特征在于，所述合金的β转变温度（T_β）约为1775°F。

11.如权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述钛合金中存在的任意一种杂质元素的最大浓度为0.1重量%，所有杂质的总浓度小于或等于0.4重量%。

12.如权利要求1所述的钛合金，其特征在于，所述合金的拉伸屈服强度至少约为120,000psi，纵向和横向的极限拉伸强度都至少约为128,000psi，面积减少至少约为43%，伸长率至少约为12%。

13.一种包含如权利要求1所述的钛合金的板材。

14.如权利要求13所述的板材，其特征在于，所述板材的厚度在约0.425-0.450英寸之间。

15.如权利要求14所述的板材，其特征在于，所述板材的V₅₀防弹极限至少约为1848fps。

16.如权利要求15所述的板材，其特征在于，所述板材的厚度约为0.430英寸，V₅₀防弹极限约为1936fps。

17.一种制造钛合金的方法，以重量%计，所述钛合金基本由4.2-5.4重量%铝、2.5-3.5重量%钒、0.5-0.7重量%铁和0.15-0.19重量%氧以及余量钛组成，该方法包括以下步骤：

将包含适当比例的铝、钒、铁和钛的回收料的组合熔于冷床炉中以形成熔融合金；以及

将所述熔融合金浇铸到模具中。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述回收料包含Ti64屑、海绵钛、铁和铝散粒。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述回收料包含约70.4%Ti64屑、约28.0%海绵钛、约0.4%铁和约1.1%铝散粒。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述回收料包含Ti64屑、商用纯钛废料和高铁海绵。

21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述熔融合金浇铸到矩形模具中以形成矩形板坯。

22.如权利要求21所述的方法，该方法还包括：

在高于β转变温度对所述板坯进行初始辊轧；

在低于β转变温度进行最终辊轧；以及

在低于β转变温度的温度对板材进行最终退火。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，在1400°F进行所述最终退火，并将板材在空气环境中冷却至室温。

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