CN114480914A - 一种装甲用钛合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金材料技术领域，具体为一种装甲用钛合金材料及其制备方法，钛合金装甲材料的元素组成包括Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti，以重量百分比计，Al为4％～6.5％，Mo为0.5～2.0％，Cr为0.5～2.0％，Sn为0.5～2.0％，Fe为0.5～2.0％，Zr为0.1～1.5％，O为0.1～0.3％，其余为Ti；本发明的制备方法包括三个步骤，分别为1)按照元素配比制备钛合金电极块；2)将钛合金电极块经熔炼、锻造和轧制后得到钛合金板材或钛合金棒材；3)将钛合金板材或钛合金棒材进行成品退火处理和表面处理，得到装甲用钛合金材料。本发明可用于抗弹防护用板材，也可生产棒材和锻件等产品，在军用和民用方面有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金材料技术领域，具体为一种装甲用钛合金材料及其制备方法。
背景技术
钛及钛合金由于具备高的比强度、高耐蚀、耐高温等优良特性，近年来在航空航天等军工领域得到了广泛应用。其中由于其较高的强度以及低密度成为了较好的军工用减重材料，其优异的耐蚀性成为了舰船、兵器等领域极端环境中能较好的替代钢铁、铝合金的材料。
近年来航空航天等领域多利用钛合金的相关属性设计制造相关部件用于减重；兵器舰船等领域也利用钛的高耐蚀特性及比强高的特性设计管道、换热器等部件。比如美国的M1“艾布拉姆斯”主战坦克、M2“布雷德利”步兵战车以及“斯特赖克”轮式装甲车等装甲车辆上对Ti6Al4V钛合金的规模应用，实现了较好的减重效果。美国的M1A2主战坦克通过使用低成本ATI425钛合金替代钢制结构件、钢制炮塔等，获得了非常好的减重效果。俄罗斯在T-90A、T-95主战坦克炮塔中采用模块化钛合金装甲框架等，使得装甲防护能力得到大幅度提高。
目前我国在装甲防护领域尚没有成熟的应用的钛合金材料，因此开发可用于装甲防护领域用的钛合金材料，在替代现有材料的同时不降低使用性能，以此达到减重的效果已成为装甲钛合金开发的难点。
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，提供一种装甲用钛合金材料，该材料通过不同加工工艺，生产的不同厚度的材料，可分别在现有标准GJB59.18-88下，实现对53式7.62mm普通钢芯弹100米的0°角射击有效防护和53式7.62mm穿甲燃烧弹100米的0°角射击有效防护。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以解决：
1.方案一：一种装甲用钛合金材料，元素组成包括：Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti；所述元素组成Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti，以元素重量百分比，Al为4～6.5％，Mo为0.5～2.0％，Cr为0.5～2.0％，Sn为0.5～2.0％，Fe为0.5～2.0％，Zr为0.1～1.5％，O为0.1～0.3％，其余为Ti。
方案二：一种装甲用钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，以海绵钛为主体原料，按照元素重量百分比，向所述海绵钛中加入颗粒状的铝钼合金、金属铬、钛铁合金、钛锡合金和铝豆，再加入海绵锆和二氧化钛粉末，混合均匀后，压制成钛合金电极块；
步骤2，将所述钛合金电极块在真空熔炼炉中经过熔炼得到钛合金铸锭；然后将所述钛合金铸锭经扒皮、无损探伤并锯切冒口后，在自由锻压机上进行开坯锻造和中间坯锻，得到钛合金板坯或钛合金棒坯；最后，将所述钛合金板坯或钛合金棒坯在热轧机上进行轧制，得到钛合金板材或钛合金棒材；
步骤3，将所述钛合金板材或钛合金棒材进行成品退火处理和表面处理，得到所述装甲用钛合金材料。
进一步的，步骤1中，“Al、Mo、Cr、Sn、Fe”的加入形式以单质、任意两元中间合金、三元中间合金或多元合金的形式加入；“Zr”以海绵锆形式加入；“Ti”以海绵钛的形式加入；“O”即“氧”，以二氧化钛形式加入。
进一步的，步骤2中，所述真空熔炼炉为电子式冷床炉EB或真空自耗电弧炉VAR时，所述钛合金电极的熔炼，即“熔化-冷却”重复次数不小于2次。
进一步的，步骤2中，真空熔炼炉为电子式冷床炉EB和真空自耗电弧炉VAR时，熔炼方式为电子式冷床炉EB熔炼一次，再用真空自耗电弧炉VAR熔炼一次。
进一步的，步骤2中，所述真空熔炼炉为真空自耗电弧炉VAR时，熔炼方式为真空自耗电弧炉VAR熔炼两次或两次以上。
进一步的，步骤2中，所述开坯锻造温度为钛合金相变点温度以上100～200℃，所述中间坯锻造温度为钛合金相变点温度±50℃，所述钛合金相变点温度范围为950～980℃。
进一步的，步骤3中，所述的退火处理的温度为钛合金相变点温度以下150～350℃，退火处理的保温时间为1～2小时，退火后进行空冷。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用传统钛合金制备工艺，加工性能好，易于生产，具备较高的强度和塑性，可用于装甲防护领域；
(2)本发明采用了常用的钛合金原料，与常用TC4钛合金相比，在降低原材料成本的同时，其材料的室温抗拉强度Rm≥1050MPa，延伸率A≥15％，冲击功AKu≥25J；与现有TC4钛合金相比其强度更高，塑性更好，同时具有更好的高温力学性能；通过固溶时效热处理，其抗拉强度Rm≥1250MPa，延伸率A≥10％，冲击功AKu≥20J；
(3)本发明可用于抗弹防护用板材，也可生产棒材和锻件等产品，在军用和民用方向都有很好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明实施例1厚度为18mm的装甲用钛合金材料，在100m时对53式7.62mm穿甲燃烧弹的防护效果正面示意图；
图2为本发明实施例1厚度为18mm的装甲用钛合金材料，在100m时对53式7.62mm穿甲燃烧弹的防护效果背面示意图；
图3为本发明实施例2厚度为8mm的装甲用钛合金材料，在100m时对53式7.62mm穿甲燃烧弹的防护效果正面示意图；；
图4为本发明实施例2厚度为8mm的装甲用钛合金材料，在100m时对53式7.62mm穿甲燃烧弹的防护效果背面示意图；
具体实施方式
为了达到本发明的上述目的，并且使其特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员可根据本发明的基本思想，做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围之内。
实施例1
(1)一种装甲用钛合金材料，元素组成包括Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti；Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti；所述元素组成Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti，以元素重量百分比，Al为6.0％，Mo为1.5％，Cr为1.5％，Sn为1.5％，Fe为0.5％，Zr为1.2％，O为0.15％，其余为Ti。
(2)一种装甲用钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，以海绵钛为主体原料，按照元素重量百分比Al为6.0％，Mo为1.5％，Cr为1.5％，Sn为1.5％，Fe为0.5％，Zr为1.2％，O为0.15％，向所述海绵钛中依次加入颗粒状的AlMo60、J-Cr、Ti30Fe、Ti80Sn、Al豆，再加入H-Zr和粉末状的TiO2，混合均匀后，用钛合金电极压块机压制成钛合金电极块；
步骤2，将所述钛合金电极块在真空焊箱中组焊成自耗电极，然后在真空自耗电弧炉VAR中熔炼两次，得到钛合金铸锭；
首先，将所述钛合金铸锭经扒皮、无损探伤并锯切冒口后，于1150℃条件下，在快锻机上进行开坯锻造，开坯锻造完成后，逐步降温至970℃，再进行中间坯锻造，制成钛合金板坯；相对于钛合金铸锭，钛合金板坯总变形量达到90％以上，所述钛合金板坯厚度尺寸为250mm；
然后，在960℃条件下，将所述钛合金板坯在热轧机上进行成品热轧3次，得到厚度为18mm的成品钛合金板材；随后在800℃条件下，将所述钛合金板材在电炉中进行退火处理1.5小时后，出炉矫平并室温下冷却至常温，备用；
步骤3，首先，按去离子水、分析纯的HNO3和分析纯的FH的体积百分比分别为60％、35％和5％配制酸洗液；
将上述经退火处理后的钛合金板材在专用抛丸酸洗生产线中进行表面抛丸，除去其表面氧化皮后，进行酸液喷淋、清水冲洗、热风烘干，即得到板状的装甲用钛合金材料。
参考图1和图2，本实施例中，所制得板状的装甲用钛合金材料，经测试，在室温条件下的抗拉强度Rm＞1100MPa，延伸率A＞17％，冲击功AKu＞35J，该板状的装甲用钛合金材料可以实现在现有标准GJB59.18-88下，对53式7.62mm穿甲燃烧弹100米的有效防护。
实施例2
(1)一种装甲用钛合金材料，元素组成包括Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti；Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti；所述元素组成Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti，以元素重量百分比，Al为4.5％，Mo为1.7％，Cr为1.7％，Sn为1.0％，Fe为0.5％，Zr为0.8％，O为0.15％，其余为Ti。
(2)一种装甲用钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，以海绵钛为主体原料，按照元素重量百分比Al为4.5％，Mo为1.7％，Cr为1.7％，Sn为1.0％，Fe为0.5％，Zr为0.8％，O为0.15％，向所述海绵钛中依次加入颗粒状的AlMo60、J-Cr、Ti30Fe、Ti80Sn、Al豆，再加入H-Zr和粉末状的TiO2，混合均匀后，用钛合金电极压块机压制成钛合金电极块；
步骤2，将所述钛合金电极块在真空焊箱中组焊成自耗电极，然后在真空自耗电弧炉VAR中熔炼两次，得到钛合金铸锭；
首先，将所述钛合金铸锭经扒皮、无损探伤并锯切冒口后，于1150℃条件下，在快锻机上进行开坯锻造；开坯锻造完成后，逐步降温至970℃，再进行中间坯锻造，制成钛合金板坯；相对于钛合金铸锭，钛合金板坯总变形量达到90％以上，所述钛合金板坯厚度尺寸为250mm；
然后，在960℃条件下，将所述钛合金板坯在热轧机上进行成品热轧3次，得到厚度为8mm的成品钛合金板材；随后在830℃条件下，将所述钛合金板材在电炉中进行退火处理1.5小时后，出炉矫平并室温下冷却至常温，备用；
步骤3，首先，按去离子水、分析纯的HNO3和分析纯的FH的体积百分比分别为60％、35％和5％配制酸洗液；
将上述经退火处理后的钛合金板材在专用抛丸酸洗生产线中进行表面抛丸，除去其表面氧化皮后，进行酸液喷淋、清水冲洗、热风烘干，即得到所述装甲用钛合金材料。
参考图3和图4，本实施例中，制得板状的装甲用钛合金材料，经测试，在室温条件下的抗拉强度Rm＞1100MPa，延伸率A＞17％，冲击功AKu＞25J，该板状的装甲用钛合金材料可以实现在现有标准GJB59.18-88下，对53式7.62mm钢芯弹100米的有效防护。
实施例3
(1)一种装甲用钛合金材料，元素组成包括Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti；Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti；所述元素组成Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti，以元素重量百分比，Al为5.5％，Mo为1.5％，Cr为1.7％，Sn为0.8％，Fe为0.5％，Zr为1.0％，O为0.12％，其余为Ti。
(2)一种装甲用钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，以海绵钛为主体原料，按照元素重量百分比Al为5.5％，Mo为1.5％，Cr为1.7％，Sn为0.8％，Fe为0.5％，Zr为1.0％，O为0.12％，向所述海绵钛中依次加入颗粒状的AlMo60、J-Cr、Ti30Fe、Ti80Sn、Al豆，再加入H-Zr和粉末状的TiO2，混合均匀后，用钛合金电极压块机压制成钛合金电极块；
步骤2，将所述电极块在真空焊箱中组焊成自耗电极，然后在真空自耗电弧炉VAR中经两次熔炼，得到钛合金铸锭；
首先，将所述钛合金铸锭经扒皮、无损探伤并锯切冒口后，于1150℃条件下，在快锻机上进行开坯锻造；开坯锻造完成后，逐步降温至970℃，再进行中间坯锻造，制成钛合金棒坯；相对于钛合金铸锭，钛合金棒坯的总变形量达到90％以上，所述钛合金棒坯的直径为
然后，在960℃条件下，将所述钛合金棒坯在热轧机上进行成品热轧1次，得到直径为
的钛合金棒材；随后在800℃条件下，将所述钛合金棒材在电炉中进行退火处理1小时后，出炉矫直并室温下冷却至常温，备用；
步骤3，将所述钛合金棒材经扒皮、抛光后，得到成品钛合金棒材，即得到棒状的装甲用钛合金材料。
本实施例中，制得棒状的装甲用钛合金材料，经测试，在室温条件下的抗拉强度Rm＞1100MPa，延伸率A＞15％，冲击功AKu＞35J，具有较高的强度和冲击功，同时该棒状的装甲用钛合金材料耐高温性能良好，可用于装甲防护领域用结构件材料。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在发明的基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员是显而易见的。因此，在不偏离本发明的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种装甲用钛合金材料，其特征在于，元素组成包括：Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti；所述元素组成Al、Mo、Cr、Sn、Fe、Zr、O和Ti，以元素重量百分比，Al为4～6.5％，Mo为0.5～2.0％，Cr为0.5～2.0％，Sn为0.5～2.0％，Fe为0.5～2.0％，Zr为0.1～1.5％，O为0.1～0.3％，其余为Ti。
2.一种装甲用钛合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，以海绵钛为主体原料，按照元素重量百分比，向所述海绵钛中加入颗粒状的铝钼合金、金属铬、钛铁合金、钛锡合金和铝豆，再加入海绵锆和二氧化钛粉末，混合均匀后，压制成钛合金电极块；
步骤2，将所述钛合金电极块在真空熔炼炉中经过熔炼得到钛合金铸锭；然后将所述钛合金铸锭经扒皮、无损探伤并锯切冒口后，在自由锻压机上进行开坯锻造和中间坯锻，得到钛合金板坯或钛合金棒坯；最后，将所述钛合金板坯或钛合金棒坯在热轧机上进行轧制，得到钛合金板材或钛合金棒材；
步骤3，将所述钛合金板材或钛合金棒材进行成品退火处理和表面处理，得到所述装甲用钛合金材料。
3.根据权利要求2所述的装甲用钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，“Al、Mo、Cr、Sn、Fe”的加入形式以单质、任意两元中间合金、三元中间合金或多元合金的形式加入；“Zr”以海绵锆形式加入；“Ti”以海绵钛的形式加入；“O”即“氧”，以二氧化钛形式加入。
4.根据权利要求2所述的装甲用钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述真空熔炼炉为电子式冷床炉EB或真空自耗电弧炉VAR时，所述钛合金电极的熔炼，即“熔化-冷却”重复次数不小于2次。
5.根据权利要求2所述的装甲用钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，真空熔炼炉为电子式冷床炉EB和真空自耗电弧炉VAR时，熔炼方式为电子式冷床炉EB熔炼一次，再用真空自耗电弧炉VAR熔炼一次。
6.根据权利要求2所述的装甲用钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述真空熔炼炉为真空自耗电弧炉VAR时，熔炼方式为真空自耗电弧炉VAR熔炼两次或两次以上。
7.根据权利要求2所述的装甲用钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述开坯锻造温度为钛合金相变点温度以上100～200℃，所述中间坯锻造温度为钛合金相变点温度±50℃，所述钛合金相变点温度范围为950～980℃。
8.根据权利要求2所述的装甲用钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的退火处理的温度为钛合金相变点温度以下150～350℃，退火处理的保温时间为1～2小时，退火后进行空冷。
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