[发明专利]一种高动态承载性能、低成本钛合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高动态承载性能、低成本钛合金的制备方法，具体的说，是一种循环利用钛合金残料、通过合理的变形加工及热处理工艺获得高动态性能低成本钛合金板材或棒材的制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

钛合金具备强度高、密度低、耐腐蚀性能及耐高温性能好等优良特性，在航空、航天、兵器、化工、医疗等领域是一种重要的结构材料。但是，钛合金较高的成本限制了其应用范围。研究表明，钛合金的成本构成中，海绵钛成本占总成本约40%，合金化元素的成本占总成本6.7%，其余部分为熔炼、变形加工、热处理、表面清理等。目前，世界上各企业生产海绵钛均采用Kroll法，尚无可行的低成本生产方法将该方法取代，因此，在海绵钛生产技术未取得重大突破之前，仅通过使用价格低廉的合金化元素的方法难以使钛合金成本大幅降低。然而，钛合金的生产过程中，由于切头、切边、表面车削清理等加工工艺需要，会产生大量的残料。由于钛合金残料的成本只有一些筛选、破碎、清理带来的附加成本，不到海绵钛成本的三分之一。但是，钛合金的残料无法像钢铁的残料一样直接利用，钛合金的残料需要经过筛选、破碎、清理一系列处理才能循环使用。因此，目前钛合金残料的利用率有限。如果能在钛合金制备过程中有效利用残料，则可以显著降低钛合金成本。

目前成熟牌号的钛合金均针对常规应用领域开发，成分设计、加工制备过程及热处理工艺尚未考虑材料动态载荷应用环境，而且制备方法基本都以传统的海绵钛、中间合金为原料，成本较高。钛合金作为结构材料在使用过程中通常会受到动态载荷的作用，如，服役过程中的撞击、爆炸、侵彻等，在这些应用条件下均要求材料具备一定的承受动态载荷的能力。在动态载荷的作用下，材料的力学性能与静态载荷作用下有很大的区别。大量研究表明，动态承载能力不能通过静载条件下测得的强度、延伸率、韧性等指标来衡量。目前，测试材料动态承载能力的方法，通常是采用霍普金森压杆系统在应变率10²s^-1～10³s^-1条件下对材料进行冲击压缩，以测得动态应力-动态应变曲线，如图1所示。在该曲线上，随着应变数值的增加，曲线的一阶导数首次变为零时对应的应变点是均匀塑性应变起始点；动态流变应力为最大流变应力数值90%时，对应的应变点是均匀塑性应变结束点；均匀塑性应变起始点与结束点之间是均匀塑性变形阶段。均匀塑性阶段内流变应力的平均值是平均流变应力，反映材料的动态强度；均匀塑性阶段内对应的应变值是最大均匀塑性应变，反映材料的动态塑性；均匀塑性阶段内动态流变应力-应变曲线包络的面积是材料的冲击吸收能。采用上述三个指标可以综合评价材料的动态承载能力：具有良好动态承载能力的材料必须具备较大动态强度指标或动态塑性指标的良好匹配，同时具有较高的冲击吸收能。考虑到军用及民用各领域对低成本钛合金的迫切需求，有必要提供一种具备较高的动态承载能力的、且成本相对低廉的钛合金制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种以添加钛合金残料制备高动态承载性能、低成本的钛合金的方法。克服以往的钛合金的制备未考虑动态性能，且具有较高的生产成本的问题，获得动态性能高、成本低的钛合金板材或棒材。

为实现所述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高动态承载性能、低成本钛合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）合金目标成分范围

合金元素重量百分比组成为：铝2.5%～7.0%，钒2.0%～5.5%，铁≤2.5%，氧0.1%～0.3%，其余为钛；

（2）配料

按步骤（1）所述的合金目标成分进行配料；

（3）熔炼及变形加工

将步骤（2）中配料所采用的原料混合均匀之后，采用真空自耗、电子束冷床炉或等离子冷床炉进行熔炼；获得的铸锭在α相→β相转变温度以上进行开坯锻造；随后，在开坯温度以下进行多火次锻造或轧制；累积相变点以上的变形量不低于50%，相变点以下变形量不低于70%，获得目标规格的板材或者棒材；

（4）成品热处理及表面清理

对步骤（3）获得的板材或棒材进行成品热处理及表面清理，所述的热处理为普通退火热处理或双重退火热处理。