本发明专利技术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。领域。
【技术实现步骤摘要】
一种低成本、抗高速冲击钛合金及其制备工艺
[0001]本专利技术涉及新型钛合金
，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
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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
的空白。
技术实现思路
[0006]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，本专利技术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
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]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。
[0009]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.％。
[0010]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。
[0011]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：
[0012](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；
[0013](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；
[0014](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。
[0015]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。
[0016]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％。
[0017]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％。
[0018]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％。
[0019]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。
[0020]本专利技术钛合金设计原理如下：
[0021]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：
[0022]900公斤海绵钛*65元/公斤+67公斤钒铝合金*450元/公斤＝88650元。
[0023]以本专利技术提出的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。本专利技术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：
[0024]900公斤海绵钛*65元/公斤+60公斤钒铁合金*290元/公斤＝75900元。
[0025]可见本专利技术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％。
[0026]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、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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：4～5％，V：2.5～3.5％，Fe：2.5～3.5％，余量为Ti及杂质元素。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。4.一种权利要求1至3之一所述的低成本、抗高速冲击钛合金的制备工艺，其特征在于，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：马英杰，雷家峰，杨锐，黄森森，邱建科，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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