一种低成本高强度Ti‑Fe合金坯料及其制备工艺

摘要

一种低成本超高强度Ti‑Fe合金坯料，属于金属合金技术领域。该合金成份的重量百分比组成：Fe：7.0～12.0％，Al：3.0％，C：0.01～0.02％，余量为Ti和不可避免杂质。该合金采用工业纯铁、45钢机加工铁屑、工业纯铝等为原材料混合压制成块，用真空悬浮熔炼炉二次熔炼成合金铸锭。采用锻造和去应力退火工艺制备Ti‑Fe合金坯料，其抗拉强度为1281～1443MPa，延伸率为2.60～7.00％。本发明提供了一种低成本超高强度Ti‑Fe合金，减少了钛合金原材料成本，拓宽了合金的加工区间，易于生产，满足钛合金装甲的强度与塑形指标。

权利要求

1.一种低成本超高强度Ti-Fe系合金，其特征在于，合金中各组分及其重量百分含量为：Fe含量为10.0％或12.0％，Al含量为3.0％，C含量为0.01～0.02％，余量为Ti和不可避免杂质，其制备方法，包括以下步骤：(1)以海绵钛、廉价的45号钢机械加工碎屑、工业纯铁和工业纯铝为原材料，进行去油污处理、混合并压制成合金块；

(2)对步骤(1)所得合金块熔炼，采用设备为真空悬浮感应炉，熔炼温度为1700～1850℃,经过两次重熔获得合金铸锭；

(3)对步骤(2)所得合金铸锭进行锻造和去应力退火，锻造的开坯温度为880～920℃，精锻温度为820～850℃，水淬；去应力退火温度为500～550℃，时间为0.5～1h，空冷。

2.制备权利要求1所述的低成本超高强度Ti-Fe系合金的方法，其特征在于，(1)以海绵钛、廉价的45号钢机械加工碎屑、工业纯铁和工业纯铝为原材料，进行去油污处理、混合并压制成合金块；

(2)对步骤(1)所得合金块熔炼，采用设备为真空悬浮感应炉，熔炼温度为1700～1850℃,经过两次重熔获得合金铸锭；

(3)对步骤(2)所得合金铸锭进行锻造和去应力退火，锻造的开坯温度为880～920℃，精锻温度为820～850℃，水淬；去应力退火温度为500～550℃，时间为0.5～1h，空冷。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，锻后退火态合金的抗拉强度为1281～1443MPa，延伸率为2.60～7.00％。

说明书

一种低成本高强度Ti-Fe合金坯料及其制备工艺

技术领域

[0001] 本发明属于金属合金技术领域，具体涉及一种以Ti-Fe为基的超高强度钛合金，其特点在于原料成本低廉，具有较宽加工窗口，使得从原料选取和拓宽工艺窗口来实现成本的降低,目的在于开发主要用于承受静载荷、交变载荷与冲击载荷的结构材料。

背景技术

[0002] 装甲材料的发展已经过四个阶段，即装甲钢、装甲铝合金、装甲复合陶瓷和装甲钛合金。钛合金因具有高比强度、耐蚀性极强和较好的低温韧性等性能，而适用于装甲材料。然而，钛合金的成本高和加工工艺复杂限制了钛合金在装甲材料的广泛推广。因此，有必要开展关于低成本钛合金及其制备技术的研究。降低材料成本有三种有效途径，即使用廉价的合金元素，降低材料的加工成本和采用近净成形技术。本研究从使用廉价合金元素和降低材料的加工成本两个方面入手来开发低成本高强度钛合金。

[0003] 作为廉价合金元素，铁元素为β相稳定元素，提高钛合金材料的冷热加工能力。重要的是，铁可作为钛合金的固溶强化元素，极大地提高合金的强度。德国牌汽车LupoFSI上悬簧用钛合金Ti-1.5Fe-6.8Mo-1.5Al具有弹性模量低、强度高等特性，但Mo元素价格较为昂贵；Super-TIX51F合金Ti-5Al-1Fe强度可达1000MPa，但其加工性能得不到保证。因此，本研究主要开发具有成本低廉、超高强度、具有较大的冷热加工潜力的β型钛合金。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种以Ti-Fe为基的Al元素附加强化的低成本、超高强度钛合金及合适的热加工工艺，即寻找合适的廉价合金成分和优化的锻造及热处理工艺,并成为可承受静载荷、交变载荷与冲击载荷的结构材料。

[0005] 技术方案：一种低成本超高强度Ti-Fe系合金，其特征在于，合金中各组分及其重量百分含量为：Fe含量为7.0～12.0％，Al含量为3.0％，C含量为0.01～0.02％，余量为Ti和不可避免的杂质。

[0006] 制备上述低成本超高强钛合金的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

[0007] (1)以海绵钛、廉价的45号钢机械加工碎屑、工业纯铁和工业纯铝为原材料，进行去油污处理、混合并压制成合金块。

[0008] (2)对步骤(1)所得合金块熔炼，采用设备为真空悬浮感应炉，熔炼温度为1700～1850℃,经过两次重熔获得合金铸锭；

[0009] (3)对步骤(2)所得合金铸锭进行锻造和去应力退火，锻造的开坯温度为880～920℃，精锻温度为820～850℃，水淬；去应力退火温度为500～550℃，时间为0.5～1h，空冷。

[0010] 本发明的优点：与常用的钛合金相比，合金中不含有昂贵的钼、钒等合金元素，降低了合金的原材料成本，并寻找合适的较宽的热加工工艺，降低了加工成本。制备出具有优异的综合力学性能的Ti-Fe系合金，具体体现在超高强度和满足使用要求的延伸率，抗拉强度为1281～1443MPa，延伸率为2.60～7.00％，在工程领域具有广阔的应用前景。

附图说明

[0011] 图1锻态Ti-7Fe-3Al-0.02C合金不同温度、时间退火对应的显微硬度值对比图。

[0012] 图2退火态Ti-Fe系的力学性能曲线。

[0013] 图3锻态Ti-10Fe-3Al-0.02C合金不同温度、时间退火对应的显微硬度值对比图。

[0014] 图4锻态Ti-12Fe-3Al-0.02C合金不同温度、时间退火对应的显微硬度值对比图。

具体实施方式

[0015] 下面结合实施例做进一步详细说明，但本发明并不限于以下实施例。

[0016] 低成本高强度钛合金：该合金重量百分比组成为：Fe含量为7.0～12.0％，Al含量为3.0％，C含量为0.01～0.02％，余量为Ti和不可避免的杂质。

[0017] 低成本Ti-Fe-Al-C钛合金的制备：原材料为0级海绵钛、99.3％的工业纯铁、99.5％的工业纯铝、工业45碳钢机械加工铁屑，进行去油污处理，按成份配比配料且混合均匀，并在压力机上压制成块。压块在5KG真空悬浮感应炉上熔炼，熔炼温度为1700℃～1850℃，进行两次重熔获得钛合金铸锭，将铸锭去氧化皮、去头尾，经开坯锻造、最终锻造成棒材、板材。开坯加热温度在880℃～920℃之间，最终精锻温度在820℃～850℃之间。

[0018] 实施例1

[0019] 按名义成分Ti-7Fe-3Al-0.02C(重量百分比，％)配制合金原料，原材料使用0级海绵钛、99.3％的工业纯铁、99.5％的工业纯铝、工业45钢机械加工铁屑，进行去油污处理。混料后在200吨液压机上压制成块，用5KG真空悬浮感应炉熔炼两次获得合金铸锭，铸锭经扒皮处理后，涂抹玻璃防护润滑剂，防止合金高温氧化。在920℃开坯锻造，随后在850℃下进行多火次墩拔以细化组织，最后锻成φ12mm的棒材，水淬处理。锻态合金室温力学性能：抗拉强度为1380MPa，延伸率为2.8％。(如附表1说明)

[0020] 通过优化合金的去应力退火工艺，由不同温度、时间退火后合金硬度值可寻找到其最佳的去应力退火工艺为550℃/1h/AC(附图1说明)，在此退火工艺下得到棒状坯料的室温力学性能：抗拉强度1371MPa，延伸率为2.6％。(如附图2说明)

[0021] 实施例2

[0022] 按名义成分Ti-10Fe-3Al-0.02C(重量百分比，％)配制合金原料，原材料使用0级海绵钛、99.3％的工业纯铁、99.5％的工业纯铝、工业45钢机械加工铁屑，进行去油污处理。混料后在200吨液压机上压制成块，用5KG真空悬浮感应炉熔炼两次获得合金铸锭，铸锭经扒皮处理后，涂抹玻璃防护润滑剂，防止合金高温氧化。在880℃开坯锻造，随后在820℃下进行多火次墩拔以细化组织，最后锻成φ12mm的棒材，水淬处理。锻态合金室温力学性能：
抗拉强度为1281MPa，延伸率为5.36％。(如附表1说明)

[0023] 通过优化合金的去应力退火工艺，不同温度、时间退火后合金硬度值可寻找到其最佳的去应力退火工艺为550℃/1h/AC(附图3说明)，得到棒状坯料的室温力学性能：抗拉强度1429MPa，延伸率为4.00％。(如附图1说明)

[0024] 实施例3

[0025] 按名义成分Ti-12Fe-3Al-0.02C(重量百分比，％)配制合金原料，原材料使用0级海绵钛、99.3％的工业纯铁、99.5％的工业纯铝、工业45钢机械加工铁屑，进行去油污处理。混料后在200吨液压机上压制成块，用5KG真空悬浮感应炉熔炼两次获得合金铸锭，铸锭经扒皮处理后，涂抹玻璃防护润滑剂，防止合金高温氧化。在880℃开坯锻造，随后在820℃下进行多火次墩拔以细化组织，最后锻成φ12mm的棒材，水淬处理。锻态合金室温力学性能：
抗拉强度为1385MPa，延伸率为8.92％。(如附表1说明)

[0026] 通过优化合金的去应力退火工艺，不同温度、时间退火后合金硬度值寻找到其最佳的去应力退火工艺为500℃/0.5h/AC(附图4说明)，得到棒状坯料的室温力学性能：抗拉强度1443MPa，延伸率为7.00％。(如附图1说明)

[0027] 表1锻态Ti-Fe系合金的力学性能参数

[0028]名义成分 抗拉强度/MPa 延伸率/％
Ti-7Fe-3Al-0.02C 1380 2.80
Ti-10Fe-3Al-0.02C 1281 5.36
Ti-12Fe-3Al-0.02C 1385 8.92