一种α-β型高强、高冲击韧性钛合金及其制备方法与流程

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种α-β型高强、高冲击韧性钛合金及其制备方法。

背景技术：

钛具有许多的特性：密度低、比强度高、耐腐蚀、耐温区宽、焊接性能好，是一种理想的结构材料，对国防高技术、武器装备和民用行业的发展有极其重要的作用。航空、航天、舰船、兵器、化工等军工及商业领域都大量使用钛合金，并有逐步增大的趋势。但钛合金价格高，一般为钢的8～10倍，严重影响了其在兵器、舰船及化工等成本控制要求严苛的领域的应用。更糟糕的是，近年来钛合金制备原料中最主要的中间合金铝钒价格飞涨(al55v由2017年的约240元/kg上涨至目前的600元/kg，且我国钢铁行业钒需求旺盛，铝钒中间合金价格将会在未来很长时间内保持高位)，导致目前应用最广泛的tc4钛合金(ti-6al-4v)生产成本每公斤上涨15元以上。

由于兵器领域、特别是“武装车辆”的材料应用特性，对材料的抗冲性有较高的要求，前期多采用高密度的合金钢。随着新形势下，我国兵器工业对产品机动性、可输运性提出更高的要求，急需研制一种低成本高强、高冲击韧性钛的钛合金，取代传统的合金钢。我国现有的高冲击韧性钛合金多为近α型或β稳定元素含量较低的贫两相型钛合金，如ti80(ti-6.0al-2.5nb-2.2zr-1.2mo，冲击韧性aku≥50j/cm²)等，但该类合金由于合金化程度低，特别是moeq(钼当量)偏低，抗拉强度一般不超过900mpa，无法满足兵器工业高强、高抗冲击性的应用要求，且近α型钛合金热加工塑性相对较差，生产成本及原料成本居高不下，严重制约其在兵器工业的应用。

西北有色金属研究院研制的ti8lc(ti-6al-1fe-1mo)、ti12lc(ti-4.5al-7mo-2fe)合金，美国研制的ti62s(ti-6al-1.7fe-0.1si)和lcb(ti-4.5fe-6.8mo-1.5al)，采用廉价的fe或fe-mo中间合金作为生产原料，可以显著降低材料成本，且其热加工塑性均相对较好，可进一步降低加工成本。但上述合金冲击韧性相对一般，无法满足兵器工业对材料高强、高抗冲击性及低成本的应用要求。

随着我国钛工业生产技术的进步及过程管理的完善，目前，国内钛残料回收技术进步明显，tc4、商业用纯钛回收料已大量应用于商业领域及部分军工领域，特别是兵器工业。ta15钛合金作为我国航空、航天工业的常规钛合金，每年都有大量的冒口、料头等加工残废料产生。航空、航天领域出于对产品绝对安全性的考虑，严禁使用回收料，而民用领域由于ta15钛合金成本相对较高、强度与tc4相当，目前应用范围较小。若能开发出一种新型钛合金，可以大量使用ta15钛合金残料，并满足兵器用低成本、高强塑、热加工性良好的应用要求，既可以解决大量ta15钛合金残料回收问题，又可推动钛合金在兵器领域，特别是应用潜力巨大、生产成本高度敏感的“武装车辆”制造领域的大范围推广应用，解决相关领域的升级换代难题，加速我国兵工装备的升级换代进程。

技术实现要素：

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，提供了种α-β型高强、高冲击韧性钛合金。该钛合金将moeq控制为8.0～10.5，有效提高了其塑性及韧性，将aleq控制在4.8～6.15，提高了钛合金的强度，满足了高强韧性能的匹配，同时采用mo-v-cr-fe系共同强化β相，使钛合金具有良好的强韧性匹配，降低了共析风险，并采用al-zr系共同强化钛合金中的α相使其具有更高效的耦合强化效果。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种α-β型高强、高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：al4.5％～6.0％、zr1.5％～2.5％、mo0.5％～2.5％、v0.5％～2.0％、fe0.5％～2.0％、cr1.5％～3.0％，余量为ti和不可避免的杂质；所述α-β型高强、高冲击韧性钛合金经热处理后的抗拉强度大于1100mpa，屈服强度大于1000mpa，断后延伸率大于10％，断面收缩率大于25％，冲击韧性大于35j/cm²。

上述的一种α-β型高强、高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：al4.5％～5.8％、zr1.5％～2.5％、mo0.8％～2.5％、v0.8％～1.8％、fe0.8％～2.0％、cr1.5％～3.0％，余量为ti和不可避免的杂质。

上述的一种α-β型高强、高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：al5％，zr1.5％、mo0.8％、v1％、fe2％、cr3％，余量为ti和不可避免的杂质。

上述的一种α-β型高强、高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：al5.1％，zr1.8％、mo1.2％、v1.6％、fe1.3％、cr2.0％，余量为ti和不可避免的杂质。

上述的一种α-β型高强、高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：al4.5％，zr2.5％、mo2.5％、v0.8％、fe0.8％、cr3.0％，余量为ti和不可避免的杂质。

上述的一种α-β型高强、高冲击韧性钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：al5.8％，zr2.0％、mo1.0％、v1.8％、fe2.0％、cr1.5％，余量为ti和不可避免的杂质。

α-β钛合金按moeq(mo当量)的高低可分为马氏型α-β钛合金(moeq为2.53～5)、过渡型α-β钛合金(moeq为5～11)。过渡型α-β钛合金由于moeq相对较高，具有出色的淬透性及热处理强化能力，但对于该类合金，更高的moeq意味着更高的合金化程度及生产成本，且当moeq过高时，会导致相稳定状态下α相含量减少，α/β相界相对减少，界面强化效果减弱，从而影响热处理析出强化效果，且β相的高固溶度会增加含cr、fe等共析元素的合金体系析出金属间化合物，损害综合性能，特别是塑性及韧性；但过低的moeq则影响合金的淬透性及时效强化效果。本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金将moeq控制在8.0～10.5之间，从而保证了其淬透性及热处理强化效果，有效提高了其塑性及韧性。

本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金采用mo-v-cr-fe系共同强化β相。cr、fe是最高效、低成本的β稳定及强化元素之一，但长时间加热有发生共析反应进而恶化合金塑性及韧性的风险。本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金采用mo元素与cr、fe联合强化β相，在保留mo元素β相高效强化效果的同时，有效抑制了共析反应的发生；在控制总moeq(mo当量)不变的前提下，采用低mo含量、高fe、cr含量的配比方式，即可以降低共析风险，又可以有效减少合金元素添加总量(fe、cr元素β稳定效率更高，mo临界β稳定元素含量为11wt％，fe、cr临界β稳定元素含量分别为5wt％、6.5wt％)，降低了生产成本。另外，本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金中还添加了v，v元素虽然成本高、强化效果弱，但由于该元素可在β相中无限固溶，且在α相中也有一定的固溶度，因此v元素可以极大改善合金的韧性特别是冲击韧性，通过添加一定量的v元素与mo-cr-fe耦合强化，可以使钛合金具有良好的强韧性匹配。

对于过渡型α-β钛合金，高aleq(al当量)在增加α相固溶强化效果的同时，也增加了钛合金在热加工过程中的开裂风险，进而降低成材率、增加生产成本及生产周期，且α相的过度固溶强化，会损害其与β相的耦合强化效果，进而损害钛合金的综合性能匹配、特别是冲击韧性。低aleq合金虽然具有良好的韧性，但强度偏低，无法满足高强韧设计要求。因此，本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金将aleq控制在4.8～6.15之间，从而保证了α相固溶强化效果，提高了钛合金的强度，满足了高强韧性能的匹配，又避免了α相的过度固溶强化对钛合金综合性能匹配的损害。

本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金采用al-zr系共同强化钛合金中的α相，与单独采用al元素相比，具有更高效的耦合强化效果。此外，在保证aleq不变的前提条件下，通过zr元素取代部分al元素，既可以抑制ti3al金属间化合物在长时间时效过程中的析出，避免α相的过度固溶强化(zr元素的α固溶强化效果相对较低)，进而损害钛合金的塑性及韧性，又可以抑制晶粒在相变温度以上加热时的过快长大，从而改善钛合金的热加工晶粒细化效率，降低生产周期及成本。

本发明中moeq(mo当量)和aleq(al当量)的计算公式为：

moeq＝1.0mo+0.2ta+0.4w+0.67v+1.25cr+1.25ni+1.7mn+1.7co+2.5fe+0.28nb

aleq＝1.0al+1/3sn+1/6zr+10o+10c+20n

另外，本发明还提供了一种α-β型高强、高冲击韧性钛合金的制备方法，其特征在于，该方法将ta15回收料制备的电极与由回收纯锆屑、铁钼中间合金、铝豆、铁钉、金属铬和海绵钛混合后压制的电极进行组焊，制备成熔炼电极，然后经真空自耗电弧炉熔炼，得到钛合金铸锭，再将钛合金铸锭加工成型材，其中，所述熔炼电极中ta15回收料的质量含量为50％～70％。

本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金的制备方法大量采用ta15回收料作为制备原料，大大降低了制备成本，即可解决大量ta15钛合金残料的回收问题，又可以满足兵器用钛合金材低成本、高强、高冲击韧性的应用要求。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金经热处理后的抗拉强度大于1100mpa，屈服强度大于1000mpa，断后延伸率大于10％，断面收缩率大于25％，冲击韧性大于35j/cm²。

2、本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金采用大量的ta15钛合金残料作为制备原料，既解决了大量了ta15钛合金残料的回收利用问题，又满足了兵器用钛合金材低成本、高强、高冲击韧性的应用要求。

3、本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金采用大量的ta15钛合金残料作为制备原料，降低了钛合金的原料成本，其原料成本约为tc11钛合金的75％，而其强塑性、强韧性匹配优于tc11钛合金，其原料成本约为tc21钛合金相比的60％，而其强塑性匹配与tc21钛合金相当，冲击韧性优于tc21。

4、本发明的α-β型高强、高冲击韧性钛合金可加工成棒材、板材、丝材、锻件等产品，特别适用于兵器工业领域，有利于加速我国兵工装备系统的升级换代进程，具有广泛的应用前景。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例1中α-β型高强、高冲击韧性钛合金棒材的金相组织图。

具体实施方式

本发明实施例1～实施例4、对比例1～对比例3中的原料成本核算依据如下表1所示。

表1钛合金熔炼用原料价格

注：ta15残料销售价格约为15元/kg，制成ta15回收电极后大幅溢价。

本发明实施例1～实施例4的制备方法中采用的回收纯锆屑为西部钛业有限责任公司的纯zr管机加屑经分拣、清洗、破碎后的产品。

实施例1

本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金由以下质量百分数的成分组成：al5％、zr1.5％、mo0.8％、v1％、fe2％、cr3％，余量为ti和不可避免的杂质。

本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金的制备方法为：将ta15回收料制备的电极与由回收纯锆屑、铁钼中间合金、铝豆、铁钉、金属铬、海绵钛混合后压制的电极进行组焊，制备成熔炼电极，其中熔炼电极中ta15回收料的质量含量为50％，然后经三次真空自耗电弧炉熔炼，得到钛合金铸锭；钛合金铸锭经机械加工及后续的热加工后，制备成边长为55mm的钛合金方棒，该钛合金方棒依次经900℃/1h，ac+560℃/6h，ac固溶+时效热处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为1147mpa，屈服强度为1080mpa，断后延伸率为11.5％，断面收缩率为43％，冲击韧性为36.2j/cm²。

经核算，本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金的原料成本为58元/kg。

图1是本实施例中α-β型高强、高冲击韧性钛合金棒材的金相组织图，由图1可看出本实施例中α-β型高强、高冲击韧性钛合金棒材的金相组织为典型的双态组织，通过固溶+时效热处理后，该合金强塑性匹配良好。

实施例2

本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金由以下质量百分数的成分组成：al5.1％、zr1.8％、mo1.2％、v1.6％、fe1.3％、cr2.0％，余量为ti和不可避免的杂质。

本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金的制备方法为：将ta15回收料制备的电极与由回收纯锆屑、铁钼中间合金、铝豆、铁钉、金属铬、海绵钛混合后压制的电极进行组焊，制备成熔炼电极，其中熔炼电极中ta15回收料的质量含量为70％，然后经三次真空自耗电弧炉熔炼，得到钛合金铸锭；钛合金铸锭经机械加工及后续的热加工后，制备成直径为200mm的钛合金棒材，该钛合金棒材依次经900℃/2h，ac+560℃/6h，ac固溶+时效热处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为1115mpa，屈服强度为1095mpa，断后延伸率为12.0％，断面收缩率为53％，冲击韧性为43.6j/cm²。

经核算，本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金的原料成本为61元/kg。

实施例3

本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金由以下质量百分数的成分组成：al4.5％、zr2.5％、mo2.5％、v0.8％、fe0.8％、cr3.0％，余量为ti和不可避免的杂质。

本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金的制备方法为：将ta15回收料制备的电极与由回收纯锆屑、铁钼中间合金、铝豆、铁钉、金属铬、海绵钛混合后压制的电极进行组焊，制备成熔炼电极，其中熔炼电极中ta15回收料的质量含量为50％，然后经三次真空自耗电弧炉熔炼，得到钛合金铸锭；钛合金铸锭经机械加工及后续的热加工后，制备成直径为90mm的钛合金棒材，该钛合金棒材依次经780℃/1h，ac+560℃/6h，ac固溶+时效热处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为1160mpa，屈服强度为1123mpa，断后延伸率为15％，断面收缩率为47％，冲击韧性为48.9j/cm²。

经核算，本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金的原料成本为64元/kg。

实施例4

本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金由以下质量百分数的成分组成：al5.8％、zr2.0％、mo1.0％、v1.8％、fe2.0％、cr1.5％，余量为ti和不可避免的杂质。

本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金的制备方法为：将ta15回收料制备的电极与由回收纯锆屑、铁钼中间合金、铝豆、铁钉、电解铬、海绵钛混合后压制的电极进行组焊，制备成熔炼电极，其中熔炼电极中ta15回收料的质量含量为65％，然后经三次真空自耗电弧炉熔炼，得到钛合金铸锭；钛合金铸锭经机械加工及后续的热加工后，制备成直径为20mm的钛合金棒材，该钛合金棒材依次经750℃/1h，ac热处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为1180mpa，屈服强度为1020mpa，断后延伸率为16％，断面收缩率为52％，冲击韧性为45.8j/cm²。

经核算，本实施例的α-β型高强、高冲击韧性钛合金的原料成本为62元/kg。

对比例1

本对比例的钛合金为tc21钛合金，属于过渡型α-β钛合金，成分为ti-6al-2zr-2sn-2.5mo-2nb-1.5cr-0.1si，由以下质量百分数的成分组成：al6％、zr2％、sn2％、mo2.5％、nb2％、cr1.5％、si0.1％，余量为ti和不可避免的杂质。

本对比例的tc21钛合金的制备方法为：采用al-mo合金、al-nb合金、ti-sn合金、海绵锆、海绵钛、al-si合金、铝豆，按设计成分配料并压制电极，然后经三次真空自耗电弧炉熔炼，得到tc21钛合金铸锭；tc21钛合金铸锭经机械加工及后续的热加工后，制备成直径为200mm的tc21钛合金棒材，该tc21钛合金棒材依次经890℃/2h，ac+560℃/6h，ac固溶+时效热处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为1160mpa，屈服强度为1085mpa，断后延伸率为14％，断面收缩率为46％，冲击韧性为36.2j/cm²。

经核算，本对比例的tc21钛合金的原料成本为109元/kg。

将对比例1与实施例2进行比较可知，对比例1的tc21钛合金棒材与实施例2的钛合金棒材的强塑性匹配基本一致，但实施例2的钛合金棒材具有更出色的冲击韧性，说明虽然对比例1的tc21钛合金棒材与实施例2的钛合金棒材同属过渡型α-β钛合金，但由于对比例1的tc21钛合金棒材的aleq为7，实施例2的钛合金棒材的aleq为5.4，过高的aleq导致α相过度强化，影响α相/β相间的相互匹配，对钛合金的强度冲击韧性匹配造成一定影响。另外，由于采用低成本的mo-v-cr-fe系强化β相，并使用ta15回收料，实施例2的钛合金棒材的原料成本只有对比例1的tc21钛合金原料成本的60％；同时，由于实施例2的钛合金棒材的aleq为5.4，该钛合金棒材具有更好的热加工塑性，其后续的热加工成本也低于对比例1的tc21钛合金棒材，进一步降低了制备成本。

对比例2

本对比例的钛合金为tc11钛合金，属马氏体型α-β钛合金，成分为ti-6.5al-1.5zr-3.5mo-0.3si，由以下质量百分数的成分组成：al6.5％、zr1.5％、mo3.5％、si0.3％，余量为ti和不可避免的杂质。

本对比例的tc11钛合金的制备方法为：采用al-mo合金、海绵锆、海绵钛、铝豆、al-si合金，按设计成分配料并压制电极，然后经三次真空自耗电弧炉熔炼，得到tc11钛合金铸锭；tc11钛合金铸锭经机械加工及后续的热加工后，制备成直径为200mm的tc11钛合金棒材，该tc11钛合金棒材依次经950℃/2h，ac+530℃/6h，ac固溶+时效热处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为1060mpa，屈服强度为965mpa，断后延伸率为12％，断面收缩率为28％，冲击韧性为32.4j/cm²。

经核算，本对比例的tc11钛合金的原料成本为84元/kg。

将对比例2与本发明实施例1～实施例4进行比较可知，本发明实施例1～实施例4的钛合金棒材的强韧性、强塑性综合性能匹配均优于对比例2的tc11钛合金，且原料成本仅为tc11钛合金75％左右。对比例2是tc11合金是典型的热强两相钛合金，由于moeq(moeq＝3.5)相对较低，因此热处理强化效果相对较差，虽然通过高aleq设计，并加入快共析si元素钉轧强化，可以一定程度上提高合金的强度水平，但依然低于本发明实施例1～实施例4中所述钛合金的强度水平，且高aleq、特别是快共析si元素的加入，严重损害合金的冲击韧性。说明适当控制aleq和moeq提高了本发明α-β型高强、高冲击韧性钛合金的强度与冲击韧性的匹配性。

对比例3

本对比例的钛合金为ti12lc钛合金，属近β型钛合金，成分为ti-4.5al-7mo-2fe，由以下质量百分数的成分组成：al4.5％、mo7.0％、fe2％，余量为ti和不可避免的杂质。

本对比例的ti12lc钛合金的制备方法为：采用fe-mo60b合金、海绵钛、铝豆，按设计成分配料并压制电极，然后经三次真空自耗电弧炉熔炼，得到ti12lc钛合金铸锭；ti12lc钛合金铸锭经机械加工及后续的热加工后，制备成直径为200mm的ti12lc钛合金棒材，该ti12lc钛合金棒材依次经780℃/2h，ac+550℃/6h，ac固溶+时效热处理后，其室温力学性能为：抗拉强度为1065mpa，屈服强度为1010mpa，断后延伸率为12％，断面收缩率为28％，冲击韧性为35.4j/cm²。

经核算，本对比例的ti12lc钛合金的原料成本为68元/kg。

将对比例3与实施例2进行比较可知，对比例3的ti12lc钛合金棒材与实施例2的钛合金棒材的原料成本基本相当，但实施例2的钛合金棒材的强度及冲击韧性水平要高于对比例3的ti12lc钛合金棒材。对比例3的ti12lc钛合金棒材采用更低的aleq(aleq＝4.5)及更高的moeq(moeq＝12)设计，从而获得极出色的热加工塑性及断裂韧性，但由于aleq过低，并仅使用al元素进行α相固溶强化，使α相强化效果大幅减弱，时效热处理时α相含量相对较少，减少α/β相界面积，进而影响时效强化效果，并使α相与β相的耦合强化效果受损。说明本发明采用al-zr系共同强化钛合金中的α相并控制aleq，具有更高效的耦合强化效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。