一种高动态性能钛合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高动态性能钛合金及其制备方法 (High-dynamic-performance titanium alloy and preparation method thereof ) 是由 刘向宏 毛友川 郝芳 辛社伟 杜予晅 张慧杰 王宇 张胜 王凯旋 陈海生 冯勇 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高动态性能钛合金及其制备方法,包括：Al 6.0-9.0％、Mo 2.5-5.0％、Cr 2.0-4.5％、Fe 1.0-3.5％、O≤0.20％、C≤0.10％、N≤0.10％、H≤0.05％,余量为Ti,以上组分质量百分比之和为100％。将海绵钛、铝钼合金、铝铁合金、铝铬合金、铝豆进行混合,并压制成电极块,将电极块组焊成电极,将电极熔炼成合金铸锭,对合金铸锭进行锻造,得到棒材,对棒材进行热处理得到成品棒材。可以获得动态性能优异的钛合金材料(10～(-3)S～(-1)级别应变率条件下,动态流变应力≥1600MPa,动态塑性应变≥0.30)。(The invention discloses a high dynamic performance titanium alloy and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: 6.0 to 9.0 percent of Al, 2.5 to 5.0 percent of Mo, 2.0 to 4.5 percent of Cr, 1.0 to 3.5 percent of Fe, less than or equal to 0.20 percent of O, less than or equal to 0.10 percent of C, less than or equal to 0.10 percent of N, less than or equal to 0.05 percent of H, and the balance of Ti, wherein the sum of the mass percentages of the components is 100 percent. Mixing titanium sponge, aluminum-molybdenum alloy, aluminum-iron alloy, aluminum-chromium alloy and aluminum beans, pressing into electrode blocks, welding the electrode blocks into electrodes, smelting the electrodes into alloy ingots, and then smelting the alloy ingotsForging to obtain the bar, and carrying out heat treatment on the bar to obtain the finished bar. The titanium alloy material (10) having excellent dynamic properties can be obtained ‑3 S ‑1 Under the condition of level strain rate, the dynamic rheological stress is more than or equal to 1600MPa, and the dynamic plastic strain is more than or equal to 0.30).)
技术领域
本发明属于合金技术领域，涉及一种高动态性能钛合金，还涉及上述钛 合金的制备方法。
背景技术
钛合金与大部分黑色金属相比，密度具有很大的优势，与铝、镁合金相 比，其室温强度及高温强度又高出很多，加上其优异的热强性、抗蚀性和焊 接性能，在航空航天、兵器工业、船舶、化工、医疗、汽车及能源等领域得 到了越来越广泛地应用。在国外，美、俄等军事强国都在大量开展钛合金材 料在导弹战斗部上的应用研究，如俄罗斯“X-31A”和“马斯基特”超声速反舰 导弹均采用了钛合金战斗部，使战斗部的装填系数高达0.4、美国“斯拉姆” 导弹和战斧式巡航导弹同样采用了钛合金战斗部。经实战和靶场试验表明， 钛合金战斗部大大提高了反舰导弹对水面舰艇的打击能力，命中一发即可使 大中型水面舰艇重创或丧失战斗力，由此可见，钛合金材料在国外超音速半 穿甲导弹战斗部中已经得到实际应用。
我国导弹半穿甲战斗部材料最先采用传统的30CrMnSiNi2A钢，该材料 密度大(7.8g/cm3)，直接影响了导弹技术性能。其中TA15钛合金动态性能 匹配良好，抗高速冲击载荷能力强，在相同强度等级条件下，绝热剪切敏感 性低于TC4钛合金。通过成分优化，TA15钛合金最大塑性应变能达到0.25， 流变应力达到1500MPa，冲击吸收能达到360J/cm3，动态性能优于传统的 TC4合金，比如专利号为ZL 201510421029.1的一种高动态性能近α型钛合 金及其制备方法。
随着最新一代导弹对高速侵彻多种目标的战技指标要求的不断提高，要 求配套战斗部需具有更高的侵彻速度和更大装填系数，这也要求战斗部壳体 材料在高应变速率变形条件下具有更高的动态流变应力(≥1600MPa)和动 态塑性应变(≥0.30)。该指标已大幅突破现有壳体性能水平，现有的钛合金 无法满足其要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高动态性能钛合金，解决了现有技术中存在的 钛合金动态流变应力、动态塑性应变性能低的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种高动态性能钛合金，按照质量百分比 包括以下元素：
Al 6.0-9.0％、Mo 2.5-5.0％、Cr 2.0-4.5％、Fe 1.0-3.5％、O≤0.20％、C≤0.10％、 N≤0.10％、H≤0.05％，余量为Ti，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特点还在于：
Mo元素来源于铝钼合金，Cr元素来源于铝铬合金。
本发明的另一目的是提供一种高动态性能钛合金的制备方法。
本发明所采用的另一技术方案是，一种高动态性能钛合金的制备方法， 包括以下步骤：
步骤1、将海绵钛、铝钼合金、铝铁合金、铝铬合金、铝豆进行混合， 并压制成电极块，电极块中各元素质量百分比为：Al元素6.0-9.0％、Mo元 素2.5-5.0％、Cr元素2.0-4.5％、Fe元素1.0-3.5％、O元素≤0.20％、C元素 ≤0.10％、N元素≤0.10％、H元素≤0.05％，余量为Ti元素，以上组分质量百 分比之和为100％；
步骤2、将电极块组焊成电极；
步骤3、将电极熔炼成合金铸锭；
步骤4、对合金铸锭进行锻造，得到棒材；
步骤5、对棒材进行热处理得到成品棒材。
步骤3的具体过程为：将电极经过2～3次真空自耗电弧熔炼成合金铸锭， 熔炼电流为5～20KA，熔炼电压为10～45V。
步骤4的具体过程为：
步骤4.1、对合金铸锭在相变点以上80～200℃加热后，进行2～3火次 镦粗、拔长，每火次变形量45％～70％；
步骤4.2、对合金铸锭在相变点以下20～60℃加热后，进行3～4火次镦 粗、拔长，每火次变形量控制在45％～70％；
步骤4.3、对合金铸锭在相变点以下40～80℃加热后，进行2～4火次成 品锻造，每火次变形量控制在45％～70％，制备成棒材。
步骤5的具体过程为：在温度为700～850℃的条件下对棒材进行1～2h 的热处理，空冷后得到成品棒材。
本发明的有益效果是：
本发明的一种高动态性能钛合金，含有大量的Al元素可以提高材料在 高应变速率下的热强性，减小绝热剪切倾向；含有适量的Cr、Fe元素进一 步提高强化效果；含有适量的Mo元素用以稳定β相，抑制高温共析反应， 改善高温性能；并严格控制O、C、N等间隙元素含量，提高材料的塑性。 本发明的一种高动态性能钛合金的制备方法，采用优化的熔炼及锻造工艺、 热处理工艺，可以获得动态性能优异的钛合金材料(10-3S-1级别应变率条件下，动态流变应力≥1600MPa，动态塑性应变≥0.30)。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种高动态性能钛合金，按照质量百分比包括以下元素：
Al 6.0-9.0％、Mo 2.5-5.0％、Cr 2.0-4.5％、Fe 1.0-3.5％、O≤0.20％、C≤0.10％、 N≤0.10％、H≤0.05％，余量为Ti，以上组分质量百分比之和为100％。
Mo元素来源于铝钼合金，Cr元素来源于铝铬合金。
一种高动态性能钛合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将海绵钛、铝钼合金、铝铁合金、铝铬合金、铝豆进行混合， 并使用压力机及模具压制成长条状电极块，电极块中各元素质量百分比为： Al元素6.0-9.0％、Mo元素2.5-5.0％、Cr元素2.0-4.5％、Fe元素1.0-3.5％、 O元素≤0.20％、C元素≤0.10％、N元素≤0.10％、H元素≤0.05％，余量为Ti 元素，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2、采用真空等离子焊箱将电极块组焊成长条状电极；
步骤3、将电极经过2～3次真空自耗电弧熔炼成合金铸锭，熔炼电流为 5～20KA，熔炼电压为10～45V；
步骤4、对合金铸锭进行锻造，得到棒材；
步骤4.1、对合金铸锭进行2～3火次镦粗、拔长，其中，加热温度为相 变点以上80～200℃，每火次变形量45％～70％；
步骤4.2、对合金铸锭进行3～4火次镦粗、拔长，其中，加热温度为相 变点以下20～60℃加热后，每火次变形量控制在45％～70％；
步骤4.3、对合金铸锭进行2～4火次成品锻造，其中，加热温度为相变 点以下40～80℃加热后，每火次变形量控制在45％～70％，制备成棒材；
步骤5、在温度为700～850℃的条件下对棒材进行1～2h的退火热处理， 以消除内应力，同时促进晶粒等轴化，空冷后得到成品棒材。
通过以上方式，本发明的一种高动态性能钛合金，本发明含有大量的 Al元素，合金Al元素含量6.0-9.0％，相比于常规α+β钛合金Al元素含量 5.0-6.0％，扩大了α相区间，可以提高材料在高应变速率下的热强性，减小 绝热剪切倾向；含有适量的Cr、Fe元素增强了合金的淬透性，进一步提高 强化效果；含有适量的Mo元素用以稳定β相，抑制高温共析反应，改善高 温性能；并严格控制O、C、N等间隙元素含量，提高材料的韧性和塑性。
本发明的一种高动态性能钛合金的制备方法，采用优化的熔炼及锻造工 艺、热处理工艺，可以获得动态性能优异的钛合金材料(10-3S-1级别应变率 条件下，动态流变应力≥1600MPa，动态塑性应变≥0.30)。
本发明的5个实施例得到的动态性能数据与“一种高动态性能近α型钛 合金及其制备方法”中表2的实施例数据的对比见表1。由表1可以看出， 采用本发明的成分及其制备方法得到的材料的动态性能优于该专利中公布 的动态性能水平，可以用于新一代战斗部壳体材料制备使用。
表1本发明与专利ZL 201510421029.1实施例的动态性能对比
实施例1
制备组分含量为Ti-6.2Al-4.8Mo-4.30Cr-1.20Fe钛合金棒材
步骤1、将海绵钛、铝钼合金、铝铁合金、铝铬合金、铝豆进行混合， 并使用压力机及模具压制成长条状电极块；
步骤2、采用真空等离子焊箱将电极块组焊成长条状电极；
步骤3、将电极经过3次真空自耗电弧熔炼成合金铸锭，熔炼电流为 9～17KA，熔炼电压为21-41V；
步骤4、将合金铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，然后取样进行化学成分检 测，见表2；
表2铸锭化学成分检测结果(wt％)
位置
Al
Mo
Cr
Fe
O
C
N
H
Ti
上
6.15
4.74
4.28
1.12
0.17
0.05
0.04
0.01
余量
中
6.18
4.83
4.39
1.18
0.14
0.03
0.05
0.01
余量
下
6.23
4.81
4.31
1.23
0.15
0.05
0.04
0.01
余量
步骤5、对合金铸锭进行2～3火次镦粗、拔长，其中，加热温度为相变 点以上180～100℃，每火次变形量50％～65％；对合金铸锭进行3火次镦 粗、拔长，其中，加热温度为相变点以下30～60℃，每火次变形量控制在 45％～60％；对合金铸锭进行3火次成品锻造，其中，加热温度为相变点以 下40～70℃，每火次变形量控制在30％～50％，制备成棒材；
步骤6、在温度为730℃的条件下对棒材进行2h的热处理，空冷后得到 成品棒材。
对本实施例得到的成品棒材进行动态性能测试，见表3。
表3棒材动态性能测试结果
实施例2
制备组分含量为Ti-8.7Al-4.5Mo-2.30Cr-3.30Fe钛合金棒材
步骤1、将海绵钛、铝钼合金、铝铁合金、铝铬合金、铝豆进行混合， 并使用压力机及模具压制成长条状电极块；
步骤2、采用真空等离子焊箱将电极块组焊成长条状电极；
步骤3、将电极经过2次真空自耗电弧熔炼成合金铸锭，熔炼电流为 6～18KA，熔炼电压为18～38V；
步骤4、将合金铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，然后取样进行化学成分检 测，见表4；
表4铸锭化学成分检测结果(wt％)
位置
Al
Mo
Cr
Fe
O
C
N
H
Ti
上
8.41
4.42
2.31
3.38
0.11
0.05
0.02
0.01
余量
中
8.52
4.49
2.35
3.31
0.09
0.02
0.02
0.01
余量
下
8.49
4.50
2.27
3.29
0.12
0.03
0.01
0.01
余量
步骤5、对合金铸锭进行2火次镦粗、拔长，其中，加热温度为相变点 以上160～80℃，每火次变形量50％～65％；对合金铸锭进行3火次镦粗、 拔长，其中，加热温度为相变点以下20～50℃，每火次变形量控制在45％～ 65％；对合金铸锭进行3火次成品锻造，其中，加热温度为相变点以下50～ 80℃，每火次变形量控制在30％～50％，制备成棒材；
步骤6、在温度为820℃的条件下对棒材进行2h的热处理，空冷后得到 成品棒材。
对本实施例得到的成品棒材进行动态性能测试，见表5。
表5棒材动态性能测试结果
实施例3
制备组分含量为Ti-7.30Al-3.9Mo-3.00Cr-2.80Fe钛合金棒材
步骤1、将海绵钛、铝钼合金、铝铁合金、铝铬合金、铝豆进行混合， 并使用压力机及模具压制成长条状电极块；
步骤2、采用真空等离子焊箱将电极块组焊成长条状电极；
步骤3、将电极经过3次真空自耗电弧熔炼成合金铸锭，熔炼电流为 8～18KA，熔炼电压为13-33V；
步骤4、将合金铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，然后取样进行化学成分检 测，见表6；
表6铸锭化学成分检测结果(wt％)
位置
Al
Mo
Cr
Fe
O
C
N
H
Ti
上
7.25
3.80
3.04
2.71
0.13
0.01
0.01
0.01
余量
中
7.29
3.87
3.01
2.78
0.12
0.02
0.01
0.01
余量
下
7.21
3.83
3.03
2.75
0.11
0.02
0.02
0.01
余量
步骤5、对合金铸锭进行3火次镦粗、拔长，其中，加热温度为相变点 以上170～90℃，每火次变形量45％～60％；对合金铸锭进行4火次镦粗、 拔长，其中，加热温度为相变点以下30～60℃，每火次变形量控制在50％～ 70％；对合金铸锭进行2火次成品锻造，其中，加热温度为相变点以下40～ 70℃，每火次变形量控制在45％～65％，制备成棒材；
步骤6、在温度为770℃的条件下对棒材进行2h的热处理，空冷后得到 成品棒材。
对本实施例得到的成品棒材进行动态性能测试，见表7。
表7棒材动态性能测试结果
实施例4
制备组分含量为Ti-7.90Al-3.3Mo-3.50Cr-2.30Fe钛合金棒材
步骤1、将海绵钛、铝钼合金、铝铁合金、铝铬合金、铝豆进行混合， 并使用压力机及模具压制成长条状电极块；
步骤2、采用真空等离子焊箱将电极块组焊成长条状电极；
步骤3、将电极经过3次真空自耗电弧熔炼成合金铸锭，熔炼电流为 9～15KA，熔炼电压为19～39V；
步骤4、将合金铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，然后取样进行化学成分检 测，见表8；
表8铸锭化学成分检测结果(wt％)
位置
Al
Mo
Cr
Fe
O
C
N
H
Ti
上
7.92
3.30
3.54
2.33
0.11
0.02
0.01
0.01
余量
中
7.89
3.27
3.51
3.35
0.12
0.02
0.01
0.01
余量
下
7.87
3.29
3.51
2.32
0.12
0.02
0.01
0.01
余量
步骤5、对合金铸锭进行2火次镦粗、拔长，其中，加热温度为相变点 以上180～100℃，每火次变形量50％～65％；对合金铸锭进行3火次镦粗、 拔长，其中，加热温度为相变点以下30～60℃，每火次变形量控制在45％～ 60％；对合金铸锭进行4火次成品锻造，其中，加热温度为相变点以下40～ 70℃，每火次变形量控制在30％～50％，制备成棒材；
步骤6、在温度为740℃的条件下对棒材进行2h的热处理，空冷后得到 成品棒材。
对本实施例得到的成品棒材进行动态性能测试，见表9：
表9棒材动态性能测试结果
实施例5
制备组分含量为Ti-8.4Al-2.7Mo-3.90Cr-1.80Fe钛合金棒材
步骤1、将海绵钛、铝钼合金、铝铁合金、铝铬合金、铝豆进行混合， 并使用压力机及模具压制成长条状电极块；
步骤2、采用真空等离子焊箱将电极块组焊成长条状电极；
步骤3、将电极经过3次真空自耗电弧熔炼成合金铸锭，熔炼电流为 10～19KA，熔炼电压为21-44V；
步骤4、将合金铸锭扒皮、探伤、锯切冒口，然后取样进行化学成分检 测，见表10；
表10铸锭化学成分检测结果(wt％)
位置
Al
Mo
Cr
Fe
O
C
N
H
Ti
上
8.45
2.73
3.84
1.80
0.13
0.03
0.02
0.01
余量
中
8.42
2.71
3.88
1.77
0.13
0.02
0.02
0.01
余量
下
8.38
2.74
3.87
1.79
0.12
0.02
0.01
0.01
余量
步骤5、对合金铸锭进行3火次镦粗、拔长，其中，加热温度为相变点 以上160～80℃，每火次变形量50％～65％；对合金铸锭进行3火次镦粗、 拔长，其中，加热温度为相变点以下20～50℃，每火次变形量控制在45％～ 60％；对合金铸锭进行3火次成品锻造，其中，加热温度为相变点以下50～ 80℃，每火次变形量控制在30％～50％，制备成棒材；
步骤6、在温度为790℃的条件下对棒材进行2h的热处理，空冷后得到 成品棒材。
对本实施例得到的成品棒材进行动态性能测试，见表11：
表11实施例五棒材动态性能测试结果
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