CN112680628B - 一种低成本、抗高速冲击钛合金及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新型钛合金技术领域，具体涉及一种低成本、抗高速冲击钛合金及其制备工艺。该合金各组成元素的重量百分比为Al：4～5％，V：2.5～3.5％，Fe：2.5～3.5％，余量为Ti及杂质元素。与传统的Ti‑6Al‑4V合金相比，该合金特征如下：(1)使用合金钢中普遍添加的钒铁中间合金作为该钛合金的主要添加元素，显著降低原材料成本；(2)铸锭由至板材的热加工过程全部在β单相区进行，成品钛合金的成材率高，热加工流程较短，有助于进一步实现低成本；(3)该合金普通退火后的室温拉伸强度与Ti‑6Al‑4V合金相当，而其室温抗高速冲击载荷的性能大幅度提升，可被广泛应用于装甲防护、航空、航天等技术领域。

Description

一种低成本、抗高速冲击钛合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及新型钛合金技术领域，具体涉及一种低成本、抗高速冲击钛合金及其制备工艺，该钛合金适于被制作成棒丝材、板材等，可被广泛应用于航空、航天、防护装甲等技术领域。

背景技术

钛合金因具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性能，在航空、航天、海洋等领域获得了广泛的应用，其中以Ti-6Al-4V合金较为典型。钛元素在地壳中所占比例为0.6％，仅次于铝、铁、镁三种元素。然而与巨大的储量相对应的是钛合金在不同领域内的使用量相对铝合金、钢明显较低，限制钛合金广泛应用的主要壁垒是其相对于钢铁等材料较高的成本。

钛合金成本较高与原材料成本、钛合金加工生产过程中的材料损耗直接相关。以Ti-6Al-4V合金为例，原材料主要由海绵钛、V-Al中间合金及纯铝组成，其中海绵钛价格约为65元/公斤，而V-Al合金(V重量百分比60％)价格为450元/公斤，纯Al为30元/公斤(以上为2019年2月市场平均价格)。由原材料成本组成可见，V等贵重金属是导致钛合金原材料成本较高的重要原因之一。钛合金的加工过程一般分为铸锭熔炼、铸锭开坯锻造、成形锻造/轧制等工艺流程。钛合金热加工过程中，由于不可避免受到温降等因素的影响，坯料表面容易出现折叠、裂纹等缺陷。在钛合金进入下一加工工序前，表面缺陷必须被彻底清理以防形成成品缺陷。清理表面缺陷导致了大量的材料浪费，降低了材料成材率。通过分析可知，目前钛合金制品成本较高的部分原因是原材料中的贵重金属组成、材料加工过程中加工周期长、材料加工损耗高等多种因素。

与钢相比，目前主流钛合金在力学性能方面与其也存在一定差距，特别是抗高速冲击载荷的使役性能。钢的室温缺口冲击性能(U型及V型冲击功)均能达到100J以上，而现有钛合金则远低于钢，Ti-6Al-4V合金的U型及V型冲击功分别约为50J、30J。基于钢较低的价格及较高的抗高速冲击载荷性能，在战车防护装甲等抗高速冲击载荷的应用方面普遍选用钢板。但钢相比，其劣势也同样明显，主要表现为：(1)装甲钢的密度较高导致战车重量过大，战车的机动性、续航能力下降；(2)在近海领域，特别是在高湿高热的南海岛屿，海洋性气候对钢的腐蚀严重，战车装甲的服役期限较短，维护成本剧增。

综上所述，发展新型低成本、抗高速冲击载荷钛合金符合我国战车等防护装甲对高性能钛合金的技术需求，填补国内在本技术领域的空白。

发明内容

为了进一步降低钛合金成本，并扩大钛合金的应用范围，特别是满足战车防护装甲的技术需求，本发明的目的在于提供一种低成本、抗高速冲击钛合金及其制备工艺，通过使用合金钢中普遍添加的钒铁中间合金作为该钛合金的主要添加元素，显著降低原材料成本；优化该合金高温相比例，提高其热加工性能，其成材率高，热加工流程较短；该合金退火后的室温拉伸强度与Ti-6Al-4V合金相当，而其室温抗高速冲击载荷的性能大幅度提升，可被广泛应用于航空、航天、防护装甲等技术领域。

本发明的技术方案如下：

一种低成本、抗高速冲击钛合金，按重量百分含量计，该钛合金化学成分为：Al：4～5％，V：2.5～3.5％，Fe：2.5～3.5％，余量为Ti及杂质元素。

所述的低成本、抗高速冲击钛合金，该钛合金所包含的杂质元素中，O<0.01wt.％，N<0.01wt.％，H<0.001wt.％。

所述的低成本、抗高速冲击钛合金，该钛合金室温拉伸性能为：抗拉强度R_m≥900MPa，屈服强度R_p0.2≥800MPa，延伸率A≥10％，断面收缩率Z≥20％；室温缺口冲击性能为：U型及V型冲击功≥70J。

所述的低成本、抗高速冲击钛合金的制备工艺，该钛合金的制备包括如下步骤：

(1)按照所述合金成分比例进行配料，利用真空自耗炉熔炼出钛合金铸锭；

(2)由铸锭至成品板材的热加工过程全部在β单相区进行，热加工的主导工艺为：铸锭β单相区开坯锻造→β单相区板坯锻造→β单相区成品板材轧制；

(3)根据最终产品所需形式及规格，采用冷变形或温变形来制备钛合金的薄板。

所述的低成本、抗高速冲击钛合金的制备工艺，步骤(1)中，制备钛合金的原料为海绵钛、钒铁合金、铝豆，其中：钒铁合金的V、Fe元素各占45～55wt％，铝豆的粒度范围为1～10mm。

所述的低成本、抗高速冲击钛合金的制备工艺，步骤(2)中，将铸锭在1100℃～1200℃的β单相区开坯锻造，铸锭在β单相区开坯锻造的变形量范围为55～65％。

所述的低成本、抗高速冲击钛合金的制备工艺，步骤(2)中，在1000℃～1100℃的β单相区锻造板坯，在β单相区变形量范围为50～60％。

所述的低成本、抗高速冲击钛合金的制备工艺，步骤(2)中，在相变点以上30℃～50℃进行成品板材轧制，在β单相区成品板材轧制的β单相区变形量范围为40～50％。

所述的低成本、抗高速冲击钛合金的制备工艺，步骤(2)中，成品板材轧制后，进行如下退火处理：在700～850℃的温度范围内，保温2～4小时后，空冷。

本发明钛合金设计原理如下：

1、采用工业钢中广泛使用的50钒铁(V、Fe元素各约占50％重量百分比)合金作为主要中间合金，显著减低原材料成本。目前应用最广泛的Ti-6Al-4V合金的添加原料包括钒铝合金、铝豆等，而钒铝合金的价格较高，铝豆的原材料成本基本可以忽略不计。以60％重量百分比钒含量的中间合金为例，其2019年2月的平均市场价约为450元/公斤。以60钒铝为原料的Ti-6Al-4V合金每吨铸锭原料成本计算如下：

900公斤海绵钛*65元/公斤+67公斤钒铝合金*450元/公斤＝88650元。

以本发明提出的Ti-4.5Al-3V-3Fe为例，其Fe的添加不能使用单质Fe，因为单质Fe将使铸锭出现β斑(Fe富集)的几率大幅度提升，降低铸锭元素均匀性。应采用Fe的中间合金。本发明提出采用工业钢中广泛使用的50钒铁中间合金，其2019年2月的平均市场价约为290元/公斤。当使用50钒铁合金作为原料，其每吨铸锭的原材料成本计算如下：

900公斤海绵钛*65元/公斤+60公斤钒铁合金*290元/公斤＝75900元。

可见本发明提出的低成本钛合金的原料成本较Ti-6Al-4V合金铸锭降低约15％。

2、铸锭由至板材的热加工过程全部在β单相区进行，提升了成品钛合金的成材率、缩短了制备材料流程，有助于进一步实现低成本。如图1所示，传统钛合金板材的制备工艺流程依次为：铸锭β单相区开坯锻造、α+β两相区板坯锻造、α+β两相区板材轧制。如图2所示，本发明提出了钛合金板材低成本制备的全β单相区热加工技术，主导工艺为：铸锭β单相区开坯锻造、β单相区板坯锻造、β单相区板材轧制。常规钛合金在热加工过程中通常有两种相组成：具有密排六方结构的α-Ti及具有体心立方结构的β-Ti，其中在β单相区时具有单一的β-Ti，而在α+β两相区时同时具有α-Ti、β-Ti。密排六方结构的α-Ti的独立滑移系较少，其塑性变形能力低于β-Ti。在α+β两相区热变形时，钛合金坯料表面温降极易产生裂纹，在后续的热变形前应将坯料进行表面修磨，产生了材料的损耗，并延长了材料的加工周期。而钛合金在β单相区的热变形能力显著高于α+β两相区，可有效避免坯料表面裂纹的产生。

钛合金在全β单相区热加工时极易导致最终的显微组织破碎不充分，表现原始β晶粒粗大，板材的拉伸塑性较低。为了解决全β单相区热加工引起的显微组织粗大问题，需将成品板材轧制前一火次的β单相区变形量设置较高，一般可为50～60％。通过成品板材轧制前一火次大变形量设置，使坯料储存充分的畸变能，从而充分激发成品板材加热过程中再结晶形核，通过晶粒的竞争性的相互抑制生长，避免出现显微组织粗大。成品板材轧制时的β单相区变形量为40～50％，可进一步保证板材组织的均匀一致性。

3、通过合金元素配比，结合全β单相区热变形工艺，实现了钛合金优异的抗高速冲击性能。为了获得钛合金较高的抗高速冲击性能，通过以下两种技术途径来综合实现：

(a)通过合金元素配比，控制合金的铝当量及钼当量，实现最终合金α相、β相体积分数的优化组合，其中β相体积分数控制是实现该合金具有较高抗高速冲击性能的关键，而α相体积分数则直接影响合金的强度。本发明的实验结果表明，当合金铝当量为4～5，且同时钼当量为7.5～9.5时，经普通退火热处理后β相的体积分数约为20～40％，此时合金具有与Ti-6Al-4V合金相当的强度，其缺口冲击性能较Ti-6Al-4V合金提升一倍。按重量百分含量计，满足以上条件的合金成分含量范围为：Al：4～5％，V：2.5～3.5％，Fe：2.5～3.5％，余量为Ti及杂质元素。

(b)基于全β单相区热变形工艺的钛合金显微组织织构控制技术，进一步提升了板材的冲击韧性。钛合金中具有密排六方结构的α-Ti具有显著的各项异性，因此板材的织构控制是力学性能的控制的关键。本发明通过引入全β单相区热变形工艺，优化了板材的显微织构类型，综合β相的体积分数控制，使本发明中的钛合金板材具有优异的抗高速冲击性能。

相比于现有技术，本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明合金原材料成本较低，热加工塑性较好，成材率较高，成本显著降低；结合全部β单相区热变形技术，全面降低成品钛合金的价格，实现低成本。

2、本发明合金退火后的室温拉伸强度与Ti-6Al-4V合金相当，而其室温抗高速冲击载荷性能提升一倍。

3、本发明合金的低成本、抗高速冲击载荷的综合性能使其适于战车防弹装甲的设计选用，替代现有钢制防护装甲，达到以下效果：(a)降低战车的结构重量，提升战车的机动性及续航能力；(b)在近海领域，特别是在高湿高热的南海岛屿，海洋性气候对钢的腐蚀严重，装甲的服役期限较短，维护成本高，而钛合金具有优异的耐海洋环境腐蚀性能。

附图说明

图1为Ti-4.5Al-3V-3Fe合金板材典型的显微组织形貌。

图2为传统钛合金板材热加工流程示意图。

图3为本发明提出的低成本钛合金板材热加工流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

以下实施例及对比例中，熔炼了3种不同化学成分的Ti-Al-V-Fe系钛合金，合金的目标控制成分见表1，3种合金相变点约为950±10oC。各合金先后经过铸锭β单相区开坯锻造、β单相区板坯锻造、β单相区成品板材轧制，具体过程为：

(1)按照合金中各元素比例，将原料海绵钛、钒铁合金(V、Fe元素各约占50％重量百分比)、铝豆混合后制备成熔炼电极，根据需要也可添加钛合金返回料来进一步降低原材料成本，利用真空自耗炉采用3次真空自耗方法熔炼出钛合金铸锭，铸锭规格为100kg。

(2)将铸锭在1150℃的β单相区开坯锻造，在1050℃的β单相区锻造板坯，在相变点以上30℃进行成品板材轧制，其中：铸锭β单相区开坯锻造的β单相区变形量为60％、成品板材轧制前一火次的β单相区变形量为55％、成品板材轧制时的β单相区变形量为45％，最终成品板材厚度为30mm。

(3)将30mm厚度板材进行普通退火热处理，表2中列出了3种成分板材经热处理(750℃保温3小时后空冷)后测试得到的室温拉伸、冲击性能(均为三个数据的平均值)。

表1熔炼的3种低成本钛合金以及与Ti-6Al-4V合金对比

表2熔炼的7种钛合金的拉伸性能、冲击性能对比

实施例1-3

表2中，1#、2#、3#合金的拉伸强度基本与Ti-6Al-4V相当的情况下，而缺口冲击性能均明显提升。这主要归结于通过合金元素配比，控制合金的铝当量及钼当量，实现最终合金α相、β相体积分数的优化组合，并且基于全β单相区热变形工艺的钛合金显微组织织构控制技术，进一步提升了板材的冲击韧性。

实施例4

按照化学成分组成，配料并制备了熔炼电极，采用3次真空自耗方法熔炼了表1中的实施例2(2#)合金铸锭，铸锭规格为100kg。将铸锭在1150℃β单相区开坯锻造，在1050℃β单相区锻造板坯，在相变点以上30℃进行成品板材轧制，其中：铸锭β单相区开坯锻造的β单相区变形量为60％、成品板材轧制前一火次的β单相区变形量为55％、成品板材轧制时的β单相区变形量为45％，最终成品板材厚度为30mm。将30mm厚度板材进行4种温度下的普通退火热处理，热处理规范如表3所示。对热处理后的板材进行取样分析，检测材料的室温拉伸及冲击性能如表4所示。

表3本发明中所涉及的4种热处理制度

编号	热处理规程
		1	700℃保温3小时空冷
2	750℃保温3小时空冷
		3	800℃保温3小时空冷
4	850℃保温3小时空冷

表4本发明中所涉及的4种热处理制度下的室温力学性能

对比例1-4

以60钒铝为原料的Ti-6Al-4V合金每吨铸锭原料成本计算如下：

900公斤海绵钛*65元/公斤+67公斤钒铝合金*450元/公斤＝88650元。

以本发明提出的Ti-4～5Al-2.5～3.5V-2.5～3.5Fe为例，原材料成本计算如下：

(1)Ti-4.1Al-3.5V-3.5Fe：890公斤海绵钛*65元/公斤+70公斤钒铁合金*290元/公斤＝78150元；

(2)Ti-4.5Al-3V-3Fe：900公斤海绵钛*65元/公斤+60公斤钒铁合金*290元/公斤＝75900元；

(3)Ti-4.9Al-2.5V-2.5Fe：910公斤海绵钛*65元/公斤+50公斤钒铁合金*290元/公斤＝73600元。

如图1所示，从实施例2中Ti-4.5Al-3V-3Fe合金板材典型的显微组织形貌可以看出，平直的晶界α相在β单相区轧制过程中逐渐弯折、打断，从而显著降低了塑性变形过程中的界面应力，提高了材料的塑性及韧性。

实施例和对比例结果表明，与传统的Ti-6Al-4V合金相比，该合金特征如下：(1)使用合金钢中普遍添加的钒铁中间合金作为该钛合金的主要添加元素，显著降低原材料成本；(2)铸锭由至板材的热加工过程全部在β单相区进行，成品钛合金的成材率高，热加工流程较短，有助于进一步实现低成本；(3)该合金普通退火后的室温拉伸强度与Ti-6Al-4V合金相当，而其室温抗高速冲击载荷的性能大幅度提升，可被广泛应用于装甲防护、航空、航天等技术领域。

Claims (7)

1.一种低成本、抗高速冲击钛合金，其特征在于，按重量百分含量计，该钛合金化学成分为：Al：4.1～5％，V：2.5～3.5％，Fe：2.5～3.5％，余量为Ti及杂质元素；

所述的低成本、抗高速冲击钛合金的制备工艺，该钛合金的制备包括如下步骤：

(1)按照所述合金成分比例进行配料，利用真空自耗炉熔炼出钛合金铸锭；

(2)由铸锭至成品板材的热加工过程全部在β单相区进行，热加工的主导工艺为：铸锭β单相区开坯锻造→β单相区板坯锻造→β单相区成品板材轧制；

(3)根据最终产品所需形式及规格，采用冷变形或温变形来制备钛合金的薄板；

步骤(1)中，制备钛合金的原料为海绵钛、钒铁合金、铝豆，其中：钒铁合金的V、Fe元素各占45～55wt％，铝豆的粒度范围为1～10mm。

2.根据权利要求1所述的低成本、抗高速冲击钛合金，其特征在于，该钛合金所包含的杂质元素中，O<0.01wt.％，N<0.01wt.％，H<0.001wt.％。

3.根据权利要求1所述的低成本、抗高速冲击钛合金，其特征在于，该钛合金室温拉伸性能为：抗拉强度R_m≥900MPa，屈服强度R_p0.2≥800MPa，延伸率A≥10％，断面收缩率Z≥20％；室温缺口冲击性能为：U型及V型冲击功≥70J。

4.根据权利要求1所述的低成本、抗高速冲击钛合金，其特征在于，步骤(2)中，将铸锭在1100℃～1200℃的β单相区开坯锻造，铸锭在β单相区开坯锻造的变形量范围为55～65％。

5.根据权利要求1所述的低成本、抗高速冲击钛合金，其特征在于，步骤(2)中，在1000℃～1100℃的β单相区锻造板坯，在β单相区变形量范围为50～60％。

6.根据权利要求1所述的低成本、抗高速冲击钛合金，其特征在于，步骤(2)中，在相变点以上30℃～50℃进行成品板材轧制，在β单相区成品板材轧制的β单相区变形量范围为40～50％。

7.根据权利要求1所述的低成本、抗高速冲击钛合金，其特征在于，步骤(2)中，成品板材轧制后，进行如下退火处理：在700～850℃的温度范围内，保温2～4小时后，空冷。

Images