具有良好防弹和机械特性的低成本α‑β钛合金制造技术

本发明专利技术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。

Low cost alpha beta titanium alloy has good mechanical properties and plates

The invention discloses a composition formed by low cost alpha beta Ti alloy, with improved mechanical and bulletproof properties. In one embodiment, in weight%, Ti alloy by 4.2 5.4 wt.% aluminum, 2.5 3.5 wt% and 0.5 wt% vanadium 0.7 iron and 0.15 0.19 wt% oxygen and residual titanium composition. The tensile properties of Ti alloy sample yield strength of at least about 120000psi, the vertical and horizontal ultimate tensile strength of at least about 128000psi, reduced the area of at least about 43%, elongation of at least about 12%, a thickness of about 0.430 inch V50 plates limit plate is about 1936fps. Ti alloys can be made from the mixture of recycled materials and new materials, thus providing a low-cost way to form high quality armour for military systems.

【技术实现步骤摘要】
具有良好防弹和机械特性的低成本α-β钛合金本专利技术专利申请是国际申请号为PCT/US2011/046676、进入国家阶段申请号为201180048174.X，申请日为2011年8月5日，名称为“具有良好防弹和机械特性的低成本α-β钛合金”的专利技术专利申请的分案申请。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。
技术介绍
I.专利
本专利技术一般地涉及钛(Ti)合金。本专利技术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
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“DetailSpecification；ArmorPlate,TitaniumAlloy,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WilliamW.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。PaulJ.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。
技术实现思路
本专利技术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(βISO)稳定剂与β共析(βEUT)稳定剂的比例(βISO/βEUT)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：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(Moeq)约为3.1-4.4，其中钼当量定义如下：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(Aleq)约为8.3-10.5，其中铝当量定义如下：Aleq＝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(Tβ)约为1732-1820°F，其中，β转变温度定义如下，单位为°F：Tβ＝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0.162本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种防弹钛合金，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。

【技术特征摘要】
2010.08.05 US 12/850,6911.一种防弹钛合金，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所述的防弹钛合金，其特征在于，以重量％计，所述合金基本由约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所述的防弹钛合金，其特征在于，所述合金的β同晶形(βISO)稳定剂与β共析(βEUT)稳定剂的比例(βISO/βEUT)约为0.9-1.7，其中βISO/βEUT定义如下：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所述的防弹钛合金，其特征在于，所述合金的β同晶形(βISO)稳定剂与β共析(βEUT)稳定剂的比例(βISO/βEUT)约为1.2。5.如权利要求1所述的防弹钛合金，其特征在于，所述合金的钼当量Moeq约为3.1-4.4，其中Moeq定义如下：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所述的防弹钛合金，其特征在于，所述合金的钼当量Moeq约为3.8。7.如权利要求1所述的防弹钛合金，其特征在于，所述合金的铝当量Aleq约为8.3-10.5，其中Aleq定义如下：Aleq＝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所述的防弹钛合金，其特征在于，所述合金的铝当量Aleq约为9.4。9.如权利要求1所述的防弹钛合金，其特征在于，所述合金的β转变温度(Tβ)约为1732-1820°F。10.如权利要求9所述的防弹钛合金，其特征在于，所述合金的β转变温度(Tβ)约为1775°F。11.如权利要求1所述的防弹钛合金，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·范宁，
申请(专利权)人：钛金属公司，
类型：发明
国别省市：美国,US