CN110257668A - 一种高性能、低成本钛合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能、低成本钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.3％～6.6％，V 2.0％～3.0％，Mo 2.6％～3.2％，Fe 1.6％～2.1％，余量为Ti和不可避免的杂质，该钛合金以1级海绵钛、铁钼合金、纯铝、TC4回收料为原料，经电子束冷床熔炼制备得到。本发明的钛合金采用电子束冷床熔炼法，通过添加海绵钛、铁钼合金这些不易产生高密度下沉、低密度挥发的原料，避免了熔炼过程中钛合金中各元素的不均匀现象，同时实现了对TC4回收料的大规模利用，大大降低了原料成本，且该钛合金的性能符合军用及民用各领域对钛合金结构件高强度、高动态承载能力的需求。

Description

一种高性能、低成本钛合金
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种高性能、低成本钛合金。
背景技术
钛合金由于其优良的综合性能，在航空、航天和兵器工业等领域得到了广泛应用。然而在服役过程中，钛合金结构件会受到动态载荷作用，而承受动态载荷的材料可能会以高应变速率发生变形，如钛合金战斗部壳体、航空发动机用钛合金风扇叶片和钛合金装甲等。在动态载荷的作用下，材料的力学性能与静态载荷作用下有很大的区别。因此钛合金的动态力学性能是其服役性能的一个重要评价标准。目前，测试材料动态承载能力的方法为动态压缩试验，该试验是在分离式Hopkinson压杆(SHPB)上进行，SHPB技术的发展已有近60年的历史，广泛运用于测量材料在一维应力条件下、应变率为1×102s-1～1×104s-1范围内的动态力学性能。具有良好动态承载能力的材料必须具备较大动态强度指标或动态塑性指标的良好匹配，同时具有较高的冲击吸收能。目前广泛应用的钛合金极少考虑材料动态载荷应用环境，而较低的动态性能也限制了钛合金的应用范围。授权公告号CN104451213B的《一种高动态承载性能、低成本钛合金的制备方法》专利中公开的钛合金中含有大量价格加高的钒元素，虽然钛合金部分原材料可采用钛合金残料，但仍需加入价格加高的钒合金，增加了钛合金的原材料成本。
高价格一直是限制钛合金大量应用的最大障碍，高强钛合金一般需要在合金中添加较多的β稳定元素以达到较高时效强化效应。然而钛合金中最常用的β稳定元素Mo、V、Nb等均比较昂贵，因此如何保持优异的合金性能与降低合金成本的协调是低成本钛合金设计的难点。目前，降低钛合金成本主要从降低钛合金化元素成本及采用短流程制备工艺两方面着手。降低钛合金成本主要通过采用价格低廉的合金元素替代价格相对昂贵的合金元素，例如采用Fe、Cr等替代Mo、V。但是单一的共析型β稳定元素容易造成偏析，对于钛合金的性能是不利的。申请号为201710918992的《一种低成本高强度高钛合金及其制备方法》专利中通过添加大量的Fe、Cr提高了钛合金的强度，但该钛合金塑性较低。申请号为201410628558的《一种可添加钛残料的低成本钛合金》专利中添加十几种钛合金残料的方式来降低钛合金成本，但为了保证钛合金的性能，添加的β稳定元素相对较少，添加的钛残料量也相对较少，降低成本的效果不明显。实际上，现有的低成本合金由于成分和性能的限制，往往添加的钛合金残料数量和种类都有限。目前，TC4钛合金的应用最为广泛，占到所有钛合金的50％以上，每年高品质的TC4钛合金残料超过万吨，充分利用现有高品质的TC4钛合金残料是降低钛合金成本最为有效的方法之一。因此，利用TC4钛合金残料开发一种高性能、高强钛合金可显著降低其原料成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高性能、低成本钛合金。该钛合金通过电子束冷床熔炼法制备得到，通过添加海绵钛、铁钼合金这些不易产生高密度下沉、低密度挥发的原料，避免了熔炼过程中钛合金中各元素的不均匀现象，有利于保证钛合金的高性能，同时实现了对TC4回收料的大规模利用，大大降低了原料成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高性能、低成本钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.3％～6.6％，V 2.0％～3.0％，Mo 2.6％～3.2％，Fe 1.6％～2.1％，余量为Ti和不可避免的杂质，该钛合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择1级海绵钛、铁钼合金、纯铝和经去油去污处理后的TC4回收料作为制备原料；所述制备原料中经去油去污处理后的TC4回收料的质量含量不小于50％；
步骤二、将步骤一中选择的制备原料按照钛合金的设计成分进行配比，然后采用电子束冷床炉进行熔炼，得到钛合金扁锭；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金扁锭进行轧制加工，得到钛合金板材；
步骤四、对步骤四中得到的钛合金板材进行固溶时效处理，得到钛合金；所述钛合金的抗拉强度Rm＝1050MPa～1350MPa，延伸率A＝10％～20％，冲击韧性aKU＝30kJ/cm2～40kJ/cm2，冲击吸收能EA1≥300J/cm2。
众所周知，电子束冷床熔炼较真空自耗电弧熔炼(VAR)具有工序少、成品率高，对高、低密度夹杂物去除效果好，能够有效解决成分偏析和组织不均匀性，可重熔且质量一致性好的优点。但采用电子束冷床炉熔炼钛合金时，高蒸汽压组元挥发严重、成分控制困难，这是电子束冷床炉用于多组元合金熔炼需要解决的技术难题。本发明采用电子束冷床熔炼方法，在现有工业化制备TC4合金扁锭的基础上，通过添加海绵钛、铁钼合金这些不易产生高密度下沉、低密度挥发的原料，可实现钛合金中各元素含量的精确控制，避免了熔炼过程中钛合金中各元素的不均匀现象；同时本发明钛合金的制备原料中TC4回收料的添加量超过50％，且钛合金中的V全部来自于TC4回收料，无需添加昂贵的V原料，在保证钛合金具有高性能同时，实现了对TC4回收料的大规模利用，大大降低了原料成本。
上述的一种高性能、低成本钛合金，其特征在于，步骤二中所述熔炼的次数为一次。采用电子束冷床一次熔炼，可直接生产钛合金扁锭，降低了熔炼成本，实现了制备方法的高效短流程。
上述的一种高性能、低成本钛合金，其特征在于，步骤三中所述轧制加工采用的开坯轧制的温度为1100℃～1150℃，二火轧制的温度为950℃～1050℃，终轧温度为840℃～900℃，所述开坯轧制的变形量和终轧的变形量均不小于40％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用电子束冷床炉进行熔炼制备钛合金，通过添加海绵钛、铁钼合金这些不易产生高密度下沉、低密度挥发的原料，可实现钛合金中各元素含量的精确控制，避免了熔炼过程中钛合金中各元素的不均匀现象。
2、本发明钛合金的制备原料中TC4回收料的添加量不小于50％，且钛合金中的V全部来自于TC4回收料，在保证钛合金具有高性能的同时，实现了对TC4回收料的大规模利用，大大降低了原料成本。
3、本发明将电子束冷床炉熔炼制备的钛合金扁锭直接轧制加工，缩短了工艺流程，实现了钛合金板材类制品的短流程加工，相对于传统的真空自耗熔炼、锻造和轧制加工结合的方法，其加工成本降低了10％～20％。
4、本发明的钛合金的抗拉强度Rm＝1050MPa～1350MPa，延伸率A＝10％～20％，冲击韧性aKU＝30kJ/cm2～40kJ/cm2，冲击吸收能EA1≥300J/cm2，同时具有高动态性能和较好的高强力学性能，符合军用及民用各领域对钛合金结构件高强度、高动态承载能力的需求。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例1的钛合金的动态流变应力-动态应变曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例的钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.0％，V 3.0％，Mo2.6％，Fe 1.6％，余量为Ti和不可避免的杂质，该钛合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择1级海绵钛、铁钼合金(铁钼合金中钼质量含量为61.9％)、铝豆和经去油去污处理后的TC4回收料作为制备原料；
步骤二、将步骤一中选择的制备原料按照钛合金Ti-4.3Al-3.0V-2.6Mo-1.6Fe的设计成分进行配比，按照钛合金扁锭质量为300kg配料，其中，经去油去污处理后的TC4回收料224.5kg，1级海绵钛62.4kg，铁钼合金12.6kg，铝豆0.5kg，然后采用电子束冷床炉进行一次熔炼，得到钛合金扁锭；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金扁锭进行轧制加工，得到钛合金板材；所述轧制加工的过程中，开坯轧制的温度为1130℃，开坯轧制的变形量为40％，二火轧制的温度为950℃，二火轧制的变形量为20％，终轧温度为840℃，终轧的变形量为40％；
步骤四、对步骤四中得到的钛合金板材进行840℃/1h，AC+540℃/6h，AC的固溶时效处理，得到钛合金。
经检测，本实施例的钛合金的抗拉强度Rm＝1100MPa，延伸率A＝20.5％，冲击韧性aKU＝30.2kJ/cm2，冲击吸收能EA1＝315J/cm2。
采用霍普金森压杆系统在应变率103s-1～104s-1条件下对本实施例制备的钛合金进行动态压缩试验，得到一维应力状态下钛合金的动态流变应力-动态应变曲线，图1是本实施例的钛合金的动态流变应力-动态应变曲线，从图1可以看出，采用霍普金森压杆试验装置测得该钛合金板材平均动态流变应力为1610MPa，最大均匀塑性应变为0.23，说明该钛合金板材同时具有高动态性能和较好的高强力学性能。
实施例2
本实施例的钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.6％，V 2.0％，Mo3.2％，Fe 2.1％，余量为Ti和不可避免的杂质，该钛合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择1级海绵钛、铁钼合金(铁钼合金中钼质量含量为60.4％)、铝豆和经去油去污处理后的TC4回收料作为制备原料；
步骤二、将步骤一中选择的制备原料按照钛合金Ti-6.6Al-2.0V-3.2Mo-2.1Fe的设计成分进行配比，按照钛合金扁锭质量为300kg配料，其中，经去油去污处理后的TC4回收料150kg，1级海绵钛123.3kg，铝豆11.4kg，铁钼合金15.9kg，然后采用电子束冷床炉进行一次熔炼，得到钛合金扁锭；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金扁锭进行轧制加工，得到钛合金板材；所述轧制加工的过程中，开坯轧制的温度为1150℃，开坯轧制的变形量为40％，二火轧制的温度为1050℃，二火轧制的变形量为20％，终轧温度为900℃，终轧的变形量为40％；
步骤四、对步骤四中得到的钛合金板材进行860℃/1h，AC+570℃/6h，AC的固溶时效处理，得到钛合金。
经检测，本实施例的钛合金的抗拉强度Rm＝1050MPa，延伸率A＝18％，冲击韧性aKU＝39.5kJ/cm2，冲击吸收能EA1＝330J/cm2。
实施例3
本实施例的钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.5％，V 2.5％，Mo3.0％，Fe 1.9％，余量为Ti和不可避免的杂质，该钛合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择1级海绵钛、铁钼合金(铁钼合金中钼质量含量为61.2％)、铝豆和经去油去污处理后的TC4回收料作为制备原料；
步骤二、将步骤一中选择的制备原料按照钛合金Ti-5.5Al-2.5V-3.0Mo-3.5Fe的设计成分进行配比，按照钛合金扁锭质量为300kg配料，其中，经去油去污处理后的TC4回收料187.5kg，1级海绵钛92.55kg，铝豆5.85kg，铁钼合金14.7kg，然后采用电子束冷床炉进行一次熔炼，得到钛合金扁锭；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金扁锭进行轧制加工，得到钛合金板材；所述轧制加工的过程中，开坯轧制的温度为1150℃，开坯轧制的变形量为45％，二火轧制的温度为950℃，二火轧制的变形量为15％，终轧温度为840℃，终轧的变形量为60％；
步骤四、对步骤四中得到的钛合金板材进行810℃/1h，AC+520℃/6h，AC的固溶时效处理，得到钛合金。
经检测，本实施例的钛合金的抗拉强度Rm＝1350MPa，延伸率A＝10.5％，冲击韧性aKU＝33.7kJ/cm2，冲击吸收能EA1＝305J/cm2。
实施例4
本实施例的高性能、低成本钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.0％，V3.0％，Mo 2.6％，Fe 1.7％，余量为Ti和不可避免的杂质，该钛合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择1级海绵钛、铁钼合金(铁钼合金中钼质量含量为60.5％)、工业纯铝和经去油去污处理后的TC4回收料作为制备原料；
步骤二、将步骤一中选择的制备原料按照钛合金Ti-5.0Al-3.0V-2.6Mo-1.7Fe的设计成分进行配比，按照钛合金扁锭质量为300kg配料，其中，经去油去污处理后的TC4回收料225kg，1级海绵钛60.6kg，铝豆2.1kg，铁钼合金12.9kg，然后采用电子束冷床炉进行一次熔炼，得到钛合金扁锭；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金扁锭进行轧制加工，得到钛合金板材；所述轧制加工的过程中，开坯轧制的温度为1100℃，开坯轧制的变形量为40％，二火轧制的温度为970℃，二火轧制的变形量为20％，终轧温度为850℃，终轧的变形量为40％；
步骤四、对步骤四中得到的钛合金板材进行830℃/1h，AC+560℃/6h，AC的固溶时效处理，得到钛合金。
经检测，本实施例得到的钛合金的抗拉强度Rm＝1230MPa，延伸率A＝17.5％，冲击韧性aKU＝39.2kJ/cm2，冲击吸收能EA1＝330J/cm2。
实施例5
本实施例的高性能、低成本钛合金由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％，V2.5％，Mo 3.0％，Fe 1.9％，余量为Ti和不可避免的杂质，该钛合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择1级海绵钛、铁钼合金(铁钼合金中钼质量含量为61.2％)、铝豆和经去油去污处理后的TC4回收料作为制备原料；
步骤二、将步骤一中选择的制备原料按照钛合金Ti-4.5Al-2.5V-3.0Mo-1.9Fe的设计成分进行配比，按照钛合金扁锭质量为300kg配料，其中，经去油去污处理后的TC4回收料187.5kg，1级海绵钛95.6kg，铝豆2.85kg，铁钼合金14.7kg，然后采用电子束冷床炉进行一次熔炼，得到钛合金扁锭；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金扁锭进行轧制加工，得到钛合金板材；所述轧制加工的过程中，开坯轧制的温度为1100℃，开坯轧制的变形量为40％，二火轧制的温度为950℃，二火轧制的变形量为20％，终轧温度为840℃，终轧的变形量为40％；
步骤四、对步骤四中得到的钛合金板材进行800℃/1h，AC+540℃/6h，AC的固溶时效处理，得到钛合金。
经检测，本实施例得到的钛合金的抗拉强度Rm＝1300MPa，延伸率A＝17.5％，冲击韧性aKU＝34.5kJ/cm2，冲击吸收能EA1＝315J/cm2。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高性能、低成本钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al4.3％～6.6％，V 2.0％～3.0％，Mo 2.6％～3.2％，Fe 1.6％～2.1％，余量为Ti和不可避免的杂质，该钛合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择1级海绵钛、铁钼合金、纯铝和经去油去污处理后的TC4回收料作为制备原料；所述制备原料中经去油去污处理后的TC4回收料的质量含量不小于50％；
步骤二、将步骤一中选择的制备原料按照钛合金的设计成分进行配比，然后采用电子束冷床炉进行熔炼，得到钛合金扁锭；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金扁锭进行轧制加工，得到钛合金板材；
步骤四、对步骤四中得到的钛合金板材进行固溶时效处理，得到钛合金；所述钛合金的抗拉强度Rm＝1050MPa～1350MPa，延伸率A＝10％～20％，冲击韧性aKU＝30kJ/cm2～40kJ/cm2，冲击吸收能EA1≥300J/cm2。
2.根据权利要求1所述的一种高性能、低成本钛合金，其特征在于，步骤二中所述熔炼的次数为一次。
3.根据权利要求1所述的一种高性能、低成本钛合金，其特征在于，步骤三中所述轧制加工采用的开坯轧制的温度为1100℃～1150℃，二火轧制的温度为950℃～1050℃，终轧温度为840℃～900℃，所述开坯轧制的变形量和终轧的变形量均不小于40％。
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