一种抗高速冲击叠层钛合金板材及其制备方法与流程

本发明涉及钛合金，尤其涉及一种抗高速冲击叠层钛合金板材及其制备方法。

背景技术：

1、钛合金因其突出的比强度、低温韧性以及优异的耐腐蚀性能，在航空、航天、海洋、军用武器装备等领域获得了广泛的应用，特别适合作为高性能、轻量化的首选装甲材料。然而，现有的单层均质钛合金材料的抗弹性能明显不足，难以满足现代战争对装甲材料防护和生存能力的新要求。正是在这种形势下，叠层钛合金材料应运而生，它的出现与应用得到了越来越多的重视。

2、将不同内禀属性材料进行叠层复合，制成抗高速冲击叠层钛合金板材是弥补单层均质钛合金材料抗弹性能不足的有效手段。然而，传统非同基材料叠层钛合金板材由于各层材料原子扩散能力的差异，导致界面极易产生复合缺陷，并伴随形成脆性金属间化合物，恶化界面性能。市面上的抗高速冲击叠层钛合金板材也还或多或少存在制造技术复杂、成本高、层间结合力差、易开裂、抗弹性能有待进一步提高，难以实现材料性能提升和成本控制的兼顾等缺点。

3、为了解决上述问题，申请号为201910989422.9的中国发明专利公开了一种低成本、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。然而，由于其配方及单层结构的缘故，使得其抗弹性能和机械力学性能有待进一步提高。

4、可见，开发一种抗高速冲击性能佳，机械力学性能优异，焊接性能好的抗高速冲击叠层钛合金板材及其制备方法显得尤为重要，是当前业内亟待解决的难题。

技术实现思路

1、本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种抗高速冲击叠层钛合金板材及其制备方法，通过设计各层钛合金成分，改善机械力学性能，使得各层经结构、性能的合理匹配，最大化叠层钛合金板材的吸能驻波效应，通过铸锭改锻变形后直接叠轧复合，实现叠层钛合金板材短流程加工，降低材料制备成本，满足产业化制备要求，使其抗高速冲击性能、焊接性能得到显著提升。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种抗高速冲击叠层钛合金板材，包括硬钛合金层和软钛合金层；所述硬钛合金层包括如下按重量百分比计的成分：al：4-7wt%、v：1.5-4wt%、fe：2-5.5wt%、cr：2-7wt%、sn：1-4wt%、mo：1-3wt%、b：0.05-0.15wt%、o：0.1-0.3wt%、稀土元素：0.1-0.3wt%、其它元素：0.1-0.3wt%，余量为ti及杂质元素m1；所述软钛合金层包括如下按重量百分比计的成分：al：5.0-6.0wt%、v：2.5-4.5wt%、fe：1.5-2.5wt%、sc：0.01-0.04wt%、nb：0.05-0.1wt%，余量为ti及杂质元素m2。

3、优选的，所述杂质元素m1中，c：≤0.08wt%，n：≤0.05wt%，h：≤0.015wt%，其它单一杂质元素：≤0.1wt%，杂质元素m1总和：≤0.4wt%。

4、优选的，所述杂质元素m2中，c：≤0.08wt%，n：≤0.05wt%，h：≤0.015wt%，其它单一杂质元素：≤0.1wt%，杂质元素m2总和：≤0.4wt%。

5、优选的，所述稀土元素是sc、y、ce、gd按重量比1:(1-3):1:(0.2-0.5)混合形成的混合物。

6、优选的，所述其它元素为zr、nb、mn、ga中的至少一种。

7、优选的，所述硬钛合金层与软钛合金层的厚度之比为(5-6):1。

8、本发明的另一个目的，在于提供一种所述抗高速冲击叠层钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：

9、步骤s1、硬钛合金层和软钛合金层的熔铸：按硬钛合金层成分比例和软钛合金层成分比例分别配料，采用真空自耗熔炼炉（var）分别对硬钛合金层成分和软钛合金层成分进行两次重熔，经探伤后，切除浇冒口并扒皮，分别熔炼出硬钛合金层铸锭和软钛合金层铸锭；

10、步骤s2、铸锭预变形：分别对硬钛合金层铸锭和软钛合金层铸锭进行变形量不大于50%的变形加工，形成硬钛合金层方形铸锭和软钛合金层方形铸锭；

11、步骤s3、表面处理：将硬钛合金层方形铸锭及软钛合金层方形铸锭的表面分别依次进行酸碱洗、机械清除表面氧化皮及杂质、抛光，使得表面的不平度＜0.1mm；

12、步骤s4、叠层组坯：按硬钛合金层方形铸锭、软钛合金层方形铸锭的顺序或软钛合金层方形铸锭、硬钛合金层方形铸锭、软钛合金层方形铸锭的顺序进行叠层组坯；

13、步骤s5、叠轧复合：首先将经过步骤s4叠层组坯后的板材进行叠轧前预热，然后进行叠轧复合，叠轧复合后在30min内进行热校平；

14、步骤s6、热处理：对叠轧复合后的板材进行热处理，得到抗高速冲击叠层钛合金板材。

15、优选的，步骤s2中所述变形量为30%-40%。

16、优选的，步骤s2中所述变形加工为锻造，始锻温度为850℃-950℃，终锻温度＞850℃。

17、优选的，步骤s5中所述预热的温度为850℃-900℃。

18、优选的，步骤s5中所述叠轧复合的始轧温度为830℃-900℃，终轧温度为800℃-920℃。

19、优选的，步骤s5中所述热校平的温度为380-430℃。

20、优选的，步骤s6中所述热处理具体为：将板材在840-860℃下保温0.8-1.2h后水淬，水淬后在2h之内进行时效处理，时效处理温度为500-520℃，时间为6-8h，空冷。

21、由于上述技术方案的运用，本发明具有以下有益效果：

22、（1）本发明公开的抗高速冲击叠层钛合金板材的制备方法，工艺简单、成本低廉、生产效率和成材率高，对设备依赖性小，易于实现工程化。通过制备过程中工艺参数的合理选取，使得制成的抗高速冲击叠层钛合金板材机械力学性能、抗高速冲击性能和焊接性能更佳，性能稳定性更好，使用寿命更长。采用叠轧复合的工艺方式，相较其他复合工艺，如热等静压、爆炸焊、扩散焊等，是实现工业化尺寸叠层板制备的最高效费比途径；不仅可在叠层板之间进行高效焊接，还可与ti-6al-4v、ati425等现有装甲钛合金材料进行同基异种材料的焊接，可用于装甲车辆的不同位置，实现整车高效串联。

23、（2）本发明公开的抗高速冲击叠层钛合金板材，弱化非同基材料叠层各层板材的物化性能差异，强化其力学性能梯度，通过优化各单层板材的结构、力学性能配置，可弥补均质钛合金强、硬、韧、塑难以兼得的劣势，显著提升钛合金材料抗高速冲击性能，并可有效降低非同基叠层界面元素浓度梯度，不仅使复合界面的结合率和结合强度得到显著提升，还可明显改善复合板的焊接性能。通过对硬钛合金层成分配方的合理设计，使得硬钛合金层抗开坑特性优异，强烈干扰弹丸运行状态，破坏弹丸结构，形成的高速应力波经界面反射、折射后，能量显著降低，软层材料作为背弹面，吸收弹丸残余能量，至多发生塑性变形而不开裂，防止弹丸击穿并抑制材料背部崩落，保护结构内部人员及设备安全。

24、（3）本发明公开的抗高速冲击叠层钛合金板材，所述硬钛合金层包括如下按重量百分比计的成分：al：4-7wt%、v：1.5-4wt%、fe：2-5.5wt%、cr：2-7wt%、sn：1-4wt%、mo：1-3wt%、b：0.05-0.15wt%、o：0.1-0.3wt%、稀土元素：0.1-0.3wt%、其它元素：0.1-0.3wt%，余量为ti及杂质元素m1；所述软钛合金层包括如下按重量百分比计的成分：al：5.0-6.0wt%、v：2.5-4.5wt%、fe：1.5-2.5wt%、sc：0.01-0.04wt%、nb：0.05-0.1wt%，余量为ti及杂质元素m2。通过各层成分配方的合理选取，使得它们之间能更好地发挥相互配合共同作用，进而改善机械力学性能，使得各层经结构、性能的合理匹配，最大化叠层钛合金板材的吸能驻波效应，通过铸锭改锻变形后直接叠轧复合，实现叠层钛合金板材短流程加工，降低材料制备成本，满足产业化制备要求，使其抗弹、焊接性能得到显著提升。

25、（4）本发明公开的抗高速冲击叠层钛合金板材，包括硬钛合金层和软钛合金层；当弹丸来袭侵彻时，硬钛合金层干扰弹丸运行状态，软钛合金层吸收弹丸残余能量，多层结构设置，使硬钛合金层、软钛合金层两层板材间在复合加工过程中产生黏着摩擦，有利于界面的固着、复合，其抗弹性能优势源于叠层结构的吸能驻波效应对高速波、粒二相物质的有效吸收和抵御，破坏弹丸和应力波的初始传播状态，延缓裂纹扩展，获得抗弹性能的最大附加值。

26、（5）本发明公开的抗高速冲击叠层钛合金板材，硬钛合金层和软钛合金层的熔铸采用var法进行两次重熔，既保证铸锭成分均匀性和一致性，又可控制熔炼成本。