本发明属于自行车用钛合金领域，具体涉及一种高强度钛合金管材的制备方法。
背景技术：
自行车的发展与材料的发展存在着密不可分的关系，各种新材料的不断涌现给自行车创造了新的发展机遇。目前自行车已经由传统的代步工具向高强度、轻量化、个性化、功能化方向发展，与以往相比，人们更加追求自行车的舒适性及更好的骑行体验。目前自行车架用的材料有钢材、铝合金、碳纤维、钛材等。
钛合金广泛应用于航空航天、石油化工、海洋工程、医疗器械等领域，钛合金突出的特点是重量轻，强度高，弹性好，抗冲击，疲劳性能好，耐腐蚀永不生锈。是目前国际上公认的生产各类比赛及休闲用高档自行车最先进、最理想的材料。自行车特别是赛车要求重量轻、刚度好并且冲击性能好。重量轻可以提高速度，并在长距离运动时降低体力消耗；刚性好的自行车车架有利于驱动力的转换，并提高操纵性能；冲击吸收性好的自行车车架可以较好地减缓来自路面的冲击，从而减少车手的疲劳。钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。
目前应用于钛自行的材料主要为ta18，名义成分为ti-3al-2.5v。该合金为低合金化近α型中强钛合金,抗拉强度为620mpa，屈服极限为515mpa，延伸率为15％，该合金不仅具有良好的室温、高温力学性能和耐蚀性能,而且具有优异的冷、热加工工艺塑性、成型性和焊接性能,是制作管材的理想材料。在室和高温下其强度比纯钛高出20％-50％，该合金虽然强度不及tc4合金高，但由于它具有优良的冷加工性能，因而得到广泛的应用。ta18钛合金无缝管适用于飞机和发动机液压和燃油等管路系统，已在各种军用、民用多种飞机和航天应用，具有明显的减重效果。
钛自行车的发展对钛合金提出了更高的要求，因此需要研发新型钛合金以满足减重的迫切需求，为了更进一步减轻自行车的重量，需要开发强度级别更高的钛合金。tc4是目前常用的一种钛合金，但其冷轧性能较差，采用普通冷轧机生产薄壁管材非常困难，钛自行车的性能提升受到很大制约，因此开发新型高强高韧自行车用钛合金材料是急需解决的问题。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高强度钛合金、一种制备高强度钛合金的方法、一种高强度钛合金管材的制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种高强度钛合金，该合金各组分的重量百分比为：铝3.6％～4.4％，钒2.6％～3.4％，铁0.5％～0.8％，其余为钛和不可避免的杂质。
上述的一种高强度钛合金，所述钛的重量百分比为90.5％～94.5％，所述杂质的重量百分比≤0.665％。
一种制备上述高强度钛合金的方法，包括以下步骤：
(1)在海绵钛中加入重量份为4％～5％的alv65和重量份为2％～3％的纯al以及0.5％～0.7％的纯fe，在混布料机上进行混料；
(2)在油压机上将步骤(1)中的混料压制成电极块，再将电极块制成自耗电极；
(3)使用真空自耗电弧炉，在熔炼温度为1700℃-1800℃的环境下熔炼，得到一次铸锭；
(4)将一次铸锭作为自耗电极、在熔炼温度为1700℃-1800℃的环境下重复步骤(3)进行熔炼，得到钛合金锭。
上述的一种制备高强度钛合金的方法，还包括步骤(5)、将步骤(4)得到的所述钛合金锭表面车光并切除锭底及冒口。
一种高强度钛合金管材的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将上述的钛合金锭锻造成棒坯，并将所述棒坯加工成光棒；
步骤二、在光棒的外壁上钻通孔；
步骤三、将步骤二得到的光棒清洗、干燥；
步骤四、在所述光棒的外壁、内孔的内壁上包覆紫铜层；
包覆方法是：先采用紫铜板卷焊成筒体和管体，将管体塞入光棒的内孔中，将筒体套装在光棒上；然后采用紫铜板制成与光棒直径相同的底板，并包覆在光棒的上下两个端面；
步骤五、将包覆紫铜板的光棒在加热温度为900℃-1000℃的电炉中加热50min-120min，，在挤压速度为80mm/s-130mm/s的挤压机上进行热挤压，得到钛合金管坯；
步骤六、采用酸洗法去除步骤五所述钛合金管坯的铜皮，得到钛合金管材。
上述的一种高强度钛合金管材的制备方法，还包括步骤七、将步骤六所述的钛合金管材冷轧成型。
上述的一种高强度钛合金管材的制备方法，所述步骤七具体为：
(71)采用lg两辊冷轧机对所述钛合金管材进行初轧，得到初轧管材；
(72)对所述初轧管材进行酸洗10min-30min，再投入温度为500℃-800℃的真空退火炉中退火60min-90min，以去除管材表面的油污及氧化皮；
(73)对退火后的初轧管材重复步骤(71)、(72)进行中间道次及成品的轧制。
上述的一种高强度钛合金管材的制备方法，所述步骤(72)中酸洗液的成分为：35％-45％的硝酸、3％-7％的氢氟酸、48％-62％的水。
上述的一种高强度钛合金管材的制备方法，所述步骤六中酸洗法的步骤为：将带有铜皮的钛合金管坯放入酸洗液中酸洗15min-30min，以去除钛合金管坯中的铜，并使用清水冲洗干净；
其中，酸洗液由25％-35％的硫酸、35％-45％的硝酸、4％-6％的氢氟酸以及14％-36％的水组成。
上述的一种高强度钛合金管材的制备方法，所述步骤五中紫铜板的厚度为0.8-1.0mm。
本发明的有益效果：
本发明的ti-43新合金通过在纯钛中加入特定含量合金化元素使钛管的强度指标和塑性指标达到较好的匹配，管材的强度比ta18管材提高了30％，并且能够采用冷轧的方法生产自行车用薄壁钛合金管。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1：
钛合金是一种比较难变形的金属材料，钛合金设计的核心技术是合金元素的选择及合理匹配，以便达到强韧化的目的。钛合金常用的合金化元素有10多种，除常用的al、v、mo外，还有cr、mn、fe、cu、sn、zr、w等，提高相转变温度的元素为α稳定元素有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。降低相变温度的元素为β稳定元素有钼、铌、钒、铬、锰、铜、铁、硅等。对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显着强化效果,但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在0.015％以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。
为此，本实施例本实施例公开了一种新型高强度合金的成分，该合金各组分的重量百分比为：铝3.8％，钒3.4％，铁0.8％，钛91.5％，杂质0.5％。
一种制备上述高强度合金的方法，包括以下步骤：
(1)在海绵钛中加入重量份为4％的alv65和重量份为3％的纯al以及0.6％的纯fe，在混布料机上进行混料；
(2)在油压机上将步骤(1)中的混料压制成电极块，再将电极块制成自耗电极；
(3)使用真空自耗电弧炉，在熔炼温度为1800℃的环境下熔炼，得到一次铸锭；
(4)将一次铸锭作为自耗电极、在熔炼温度为1700℃的环境下重复步骤(3)进行熔炼，得到钛合金锭。
将钛合金锭的抗拉强度、屈服极限及延伸率的测定在拉伸试验机上按照gb/t228-2002《金属材料拉伸试验室温试验方法》进行，测得此合金的抗拉强度≥810mpa，屈服极限≥680mpa，延伸率≥14％。
实施例2：
本实施例公开了一种高强度合金的成分，该合金各组分的重量百分比为：铝4.4％，钒2.6％，铁0.55％，钛91.8％，杂质0.65％。
一种制备上述高强度合金的方法，包括以下步骤：
(1)在海绵钛中加入重量份为4.5％的alv65和重量份为2％的纯al以及0.7％的纯fe，在混布料机上进行混料；
(2)在油压机上将步骤(1)中的混料压制成电极块，再将电极块制成自耗电极；
(3)使用真空自耗电弧炉，在熔炼温度为1700℃的环境下熔炼，得到一次铸锭；
(4)将一次铸锭作为自耗电极、在熔炼温度为1750℃的环境下重复步骤(3)进行熔炼，得到钛合金锭；
(5)将步骤(4)得到的钛合金锭表面车光并切除锭底及冒口。
将钛合金锭的抗拉强度、屈服极限及延伸率的测定在拉伸试验机上按照gb/t228-2002《金属材料拉伸试验室温试验方法》进行，测得此合金的抗拉强度≥810mpa，屈服极限≥680mpa，延伸率≥14％。
本实施例采用新的合金配方，通过加入特定成分的铝、钒、铁等合金元素，使钛得到充分强化，实现了强度指标和塑形指标的合理匹配，进而可以采用冷轧变形的方法生产高强钛合金薄壁管材。本实施例的ti-43新型钛合金管材由于提高了材料的强度，用于自行车时可以进一步减少管材的壁厚，起到自行车减重的目的。此外本实施例的一种ti-43钛合金管材也可用于航空航天领域液压管路系统以及石油、化工等相关场合。
实施例3：
本实施例公开了一种高强度合金的成分，该合金各组分的重量百分比为：铝3％，钒3％，铁0.7％，钛93.2％，杂质0.1％。
一种制备上述高强度合金的方法，包括以下步骤：
(1)在海绵钛中加入重量份为5％的alv65和重量份为2.5％的纯al以及0.5％的纯fe，在混布料机上进行混料；
(2)在油压机上将步骤(1)中的混料压制成电极块，再将电极块制成自耗电极；
(3)使用真空自耗电弧炉，在熔炼温度为1750℃的环境下熔炼，得到一次铸锭；
(4)将一次铸锭作为自耗电极、在熔炼温度为1800℃的环境下重复步骤(3)进行熔炼，得到钛合金锭；
(5)将步骤(4)得到的钛合金锭表面车光并切除锭底及冒口。
实施例4：
一种应用实施例1～实施例3的高强度钛合金锭，制备高强度钛合金管材的方法，包括以下步骤：
步骤一、将钛合金锭锻造成φ150棒坯，并用车床加工成φ145的光棒；
步骤二、在光棒中心钻φ32的通孔；
步骤三、将φ145的空心棒清洗、干燥；
步骤四、在光棒的外壁、内孔的内壁上包覆紫铜层；
包覆方法是：先采用0.8mm的紫铜板卷焊成筒体和管体，将管体塞入光棒的内孔中，将筒体套装在光棒上；然后采用紫铜板制成与光棒直径相同的底板，并包覆在光棒的上下两个端面；
步骤五、将包覆0.8的紫铜板的光棒在加热温度为1000℃的电炉中加热50min，在挤压速度为100mm/s的挤压机上进行热挤压，得到φ46×6的钛合金管坯；
步骤六、采用酸洗法去除步骤五钛合金管坯的铜皮，得到钛合金管材；将带有铜皮的钛合金管坯放入酸洗液中酸洗30min，以去除钛合金管坯中的铜，并使用清水冲洗干净；其中，酸洗液由30％的硫酸、40％的硝酸、5％的氢氟酸以及35％的水组成；
步骤七、将步骤六的钛合金管材冷轧成型；
其中：步骤七具体为：
(71)采用lg两辊冷轧机对钛合金管材进行初轧，得到初轧管材；
(72)对初轧管材进行酸洗20min，再投入温度为800℃的真空退火炉中退火60min，以去除管材表面的油污及氧化皮，酸洗液的成分为：41的硝酸、7％的氢氟酸、62％的水；
(73)对退火后的初轧管材重复步骤(71)、(72)进行中间道次及成品的轧制。
实施例5：
一种应用实施例1～实施例3的高强度钛合金锭，制备高强度钛合金管材的方法，包括以下步骤：
步骤一、将钛合金锭锻造成φ150棒坯，并用车床加工成φ145的光棒；
步骤二、在光棒中心钻φ32的通孔；
步骤三、将φ145的空心棒清洗、干燥；
步骤四、在光棒的外壁、内孔的内壁上包覆紫铜层；
包覆方法是：先采用1.0mm的紫铜板卷焊成筒体和管体，将管体塞入光棒的内孔中，将筒体套装在光棒上；然后采用紫铜板制成与光棒直径相同的底板，并包覆在光棒的上下两个端面；
步骤五、将包覆1.0mm的紫铜板的光棒在加热温度为900℃的电炉中加热75min，在挤压速度为130mm/s的挤压机上进行热挤压，得到φ46×6的钛合金管坯；
步骤六、采用酸洗法去除步骤五钛合金管坯的铜皮，得到钛合金管材；将带有铜皮的钛合金管坯放入酸洗液中酸洗15min，以去除钛合金管坯中的铜，并使用清水冲洗干净；其中，酸洗液由25％的硫酸、45％的硝酸、6％的氢氟酸以及24％的水组成；
步骤七、将步骤六的钛合金管材冷轧成型；
其中：步骤七具体为：
(71)采用lg两辊冷轧机对钛合金管材进行初轧，得到初轧管材；
(72)对初轧管材进行酸洗30min，再投入温度为500℃的真空退火炉中退火90min，以去除管材表面的油污及氧化皮，酸洗液的成分为：45的硝酸、3％的氢氟酸、52％的水；
(73)对退火后的初轧管材重复步骤(71)、(72)进行中间道次及成品的轧制。
实施例6：
一种应用实施例1～实施例3的高强度钛合金锭，制备高强度钛合金管材的方法，包括以下步骤：
步骤一、将钛合金锭锻造成φ150棒坯，并用车床加工成φ145的光棒；
步骤二、在光棒中心钻φ32的通孔；
步骤三、将φ145的空心棒清洗、干燥；
步骤四、在光棒的外壁、内孔的内壁上包覆紫铜层；
包覆方法是：先采用0.9mm的紫铜板卷焊成筒体和管体，将管体塞入光棒的内孔中，将筒体套装在光棒上；然后采用紫铜板制成与光棒直径相同的底板，并包覆在光棒的上下两个端面；
步骤五、将包覆0.9mm的紫铜板的光棒在加热温度为950℃的电炉中加热120min，在挤压速度为80mm/s的挤压机上进行热挤压，得到φ46×6的钛合金管坯；
步骤六、采用酸洗法去除步骤五钛合金管坯的铜皮，得到钛合金管材；将带有铜皮的钛合金管坯放入酸洗液中酸洗23min，以去除钛合金管坯中的铜，并使用清水冲洗干净；其中，酸洗液由35％的硫酸、35％的硝酸、4％的氢氟酸以及26％的水组成；
步骤七、将步骤六的钛合金管材冷轧成型；
其中：步骤七具体为：
(71)采用lg两辊冷轧机对钛合金管材进行初轧，得到初轧管材；
(72)对初轧管材进行酸洗10min，再投入温度为650℃的真空退火炉中退火75min，以去除管材表面的油污及氧化皮，酸洗液的成分为：30的硝酸、7％的氢氟酸、63％的水；
(73)对退火后的初轧管材重复步骤(71)、(72)进行中间道次及成品的轧制。
实施例7：
本实施例公开了一种制备规格为ф35×0.8的ti43管材的方法：
先将基本原料为1级的海绵钛，按照ti-4al-3v-0.6fe名义成分按实施例1～实施例3的alv65及alfe20中间合金的数量，加入到海绵钛中并进行充分混合均匀，将混合好的海绵钛在专用压力机上压制成熔炼用的电极块，在真空焊箱中将单个的电极块焊接成一整根电极。
再将制备好的合金电极装入真空自耗电弧炉进行熔炼，得到一次铸锭。铸锭外表面经过车床扒皮去除熔炼过程中形成杂质，然后在真空自耗电弧炉上进行重熔得到二次铸锭，经过扒皮、探伤、去除冒口及熔炼缺陷、化学分析等工序，得到成品铸锭。
随后将成品铸锭锻造并加工成ф145挤压棒坯，钻φ38中心孔。用薄铜皮将空心棒的外表面、上下端面、内孔等部位完全包裹，铜皮和钛金属表面贴合紧密。然后在挤压机上挤压成ф45×4管坯，经过去铜皮酸洗、检验等工序得到合格的管坯。
最后采用ld60轧机进行五道次轧制，道次变形依次为φ45×4--φ43×3.3--φ40×2.3--φ38×1.6--φ36×1.1--φ35×0.8，道次变形量为20％-34％，每道次之间进行酸洗及退火。
实施例8：
本实施例公开了一种制备规格为ф16×0.8ti43管材的方法：
先将基本原料为0级海绵钛，按照ti-4al-3v-0.6fe名义成分按实施例1～实施例3的alv65及alfe20中间合金的数量，加入到海绵钛中并进行充分混合均匀，将混合好的海绵钛在专用压力机上压制成熔炼用的电极块，在真空焊箱中将单个的电极块焊接成一整根电极。
再将制备好的合金电极装入真空自耗电弧炉进行熔炼，得到一次铸锭。铸锭外表面经过车床扒皮去除熔炼过程中形成杂质，然后在真空自耗电弧炉上进行重熔得到二次铸锭，经过扒皮、探伤、去除冒口及熔炼缺陷、化学分析等工序，得到成品铸锭。
随后将成品铸锭锻造并加工成ф145挤压棒坯，钻φ32中心孔。用薄铜皮将空心棒的外表面、上下端面、内孔等部位完全包裹，铜皮和钛金属表面贴合紧密。然后在挤压机上挤压成ф45×5.2管坯，经过去铜皮酸洗、检验等工序得到合格的管坯。
最后采用lg60、ld60、ld30轧机，进行7道次轧制，道次变形依次为ф45×5.2--ф35×4.5--ф28×3.7--ф25×2.7--ф22×2--ф19×1.5—ф17×1.1--ф16×0.8，道次变形量为31％-35％，每道次之间进行酸洗及退火。
实施例9：
一种高强度可冷轧成型的自行车用钛合金管材，钛合金的名义成分为ti-4al-3v-0.6fe，采用上述特定的成分配比，获得了综合性能优异的钛合金材料。此合金的抗拉强度≥810mpa，屈服极限≥680mpa，延伸率≥14％。
本实施例还公开了一种高强度可冷轧成型的自行车用钛合金管材，钛合金的锭制备过程步骤包括：
(1)按照ti-4al-3v-0.6fe名义成分在海绵钛(0级或者1级)中加入al、v和fe，其中al及v以alv65中间合金的形式加入，fe以alfe20中间合金的形式加入，按照合金元素的比例在混布料机上配好原料；
(2)使用油压机上将配好的原料压制成真空熔炼用的电极块，采用真空等离子焊箱将电极块焊接成自耗电极；
(3)用真空自耗电弧炉熔炼2次；
(4)将钛合金锭的外表面车光；
(5)切除锭底及冒口。
本实施例还公开了一种高强度自行车用钛合金管材，管坯棒的制备方法为锻造及挤压，先将钛锭锻造成φ150的棒坯，然后用车床加工成φ145的光棒，在光棒中心钻φ32通孔。
挤压管坯管坯的制备方法为：(1)将φ145空心棒清洗干净。(2)用紫铜将空心棒的外表面、上下端面、内孔等部位紧密包裹。(3)将包覆的空心棒用电炉加热，然后挤压机上进行热挤压，制成φ46×6的管坯。(4)采用酸洗的方法将包覆在管坯上的铜皮去除。
成品管材的冷轧制备方法为：(1)采用两辊冷轧机进行开坯轧制。(2)采用三辊冷轧机进行中间道次及成品的轧制，每道次的变形量为25-35％。(3)每道次之间进行酸洗及真空退火。
本发明的ti-43新合金通过在纯钛中加入特定含量合金化元素使钛管的强度指标和塑性指标达到较好的匹配，管材的强度比ta18管材提高了30％，并且能够采用冷轧的方法生产自行车用薄壁钛合金管。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。