專利名稱：再熔鈦合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由再熔原料生產(chǎn)具有可控機械性能即斷裂強度(抗張強度)的α _，近α-和α+β鈦合金。這些合金主要用于國防和民用部門用片材、結(jié)構(gòu)部件和結(jié)構(gòu)裝甲的制造。
現(xiàn)有技術(shù)鈦及其合金特別是海綿鈦的高成本是鈦的廣泛應用的主要障礙。即將到來的鈦合金成本效率趨勢在于引入可再循環(huán)的廢料，這有助于使再熔合金的成本降低30%以上并同時保持鈦合金固有的主要結(jié)構(gòu)性能。已知的事實是，與昂貴配料的獲取有關(guān)的成本在鈦合金主要成本(prime cost)中 平均高達所有費用的90%。每引入10%廢料有助于使配料成本降低5-8%。當每I噸熔化的鈦還錠將10%廢料引入配料中時,節(jié)省平均IOOkg海綿體和IOkg中間合金(Titanium, V.A. Garmata 等，Μ·，Metallurgy, 1983526 頁)。鈦及其合金用于制造類似于由其它商業(yè)金屬和合金制成的那些的半成品(片材、帶材、條材、板材、鍛件、棒材等)。因此在鈦合金半成品和成品部件的制造期間產(chǎn)生所有類型的常規(guī)廢料(塊料(solids)、鏇屑、片材修整碎料(trimmings))。鈦合金制造和應用過程中每年產(chǎn)生的廢料總量相當高，等于用于熔化的配料的約70%，該數(shù)字隨時間變化不 艮大。(Melting and Casting of Titanium Alloys, A. L. Andreyev, N. F. Anoshkin等，M.，Metallurgy, 1994，128-135頁)。不同于大多數(shù)金屬，目前在生產(chǎn)中鈦可再循環(huán)的廢料的引入有限。本發(fā)明考慮的事實是，鈦合金通常通過將鈦與如下元素合金化來制備(括號中的數(shù)值是商業(yè)合金中合金化元素的最大重量百分濃度)=Al (8)，V (16)，Mo (30)，Mn (8)，Sn (13)
，Zr (10)，Cr (10)，Cu (3)，F(xiàn)e (5)，W (5)，Ni (32)，Si (0. 5);與 Nb (2)和 Ta (5)合金化不太常見。所產(chǎn)生的各種各樣鈦合金和不同的量使得具有可控強度性能的廉價再熔鈦合金的熔煉變得困難，這是因為其通常做法是通過特定合金化元素的窄范圍化學組成來控制鈦合金的性能，包括強度性能。合金化元素按它們對鈦合金性能的影響分為3組-α-穩(wěn)定劑(A1、0、N及其它)，其提高αΜβ轉(zhuǎn)變溫度并且擴展基于α-鈦的固溶范圍；-同晶型的β-穩(wěn)定劑(Mo，V, Ni, Ta及其它)其降低αοβ轉(zhuǎn)變溫度并且擴展基于β-鈦的固溶范圍；和產(chǎn)生共析體的元素(Cr、Mn、Cu及其它)，其傾向于與鈦形成金屬間化合物；-中性元素(強化劑)(Zr和Sn)，其對β-轉(zhuǎn)變溫度沒有明顯影響并且不改變鈦合金的相組成。在具有設計性能的合金熔化期間，這些組的復合作用不僅受所述組本身的定性和定量組成控制，而且受這些組的相互影響控制。
對于復合合金化鈦合金(具有相當多的合金化元素重量百分數(shù)范圍)，聲稱在具有設計水平的強度、延展性和組織的合金的熔化中技術(shù)效果通過合金的定性和定量組成得以確保并且可使用類似組成“自動地”獲得是不正確的。已知的原型鈦基合金(JP2006034414A，09. 02. 2006)的特征在于如下化學組成，
重量百分數(shù)鋁1-6.0釩O.ト 15. O鑰0.ト11.0鉻O.ト7. O鐵O. 1-4. O鎳O. 1-9. O鋯O.ト 10. O氮、氧、碳雜質(zhì)鈦余量該合金是復合合金化金屬，其性能受分屬3個組的約7種影響鈦的多晶型的合金化元素的作用控制。該合金中合金化元素的含量為O. 1%-15. 0%。該原型以及目前已知的合金在熔化過程中缺乏鈦合金化學組成的準確定量控制，這是為什么對于該合金，在所述范圍內(nèi)量變化非常大的合金化元素的隨意組合導致拉伸、塑性和結(jié)構(gòu)性能的巨大差異(spread)的原因。因此，其實際工程應用限于非關(guān)鍵部件并且其特征在于昂貴合金化元素的不合理使用。這成為嚴重缺陷，因為再熔合金中合金化元素的所需含量之比和它們在實際廢料中的存在率發(fā)生沖突。這是為什么目前引入到重要合金中的廢料的最大量不超過30%的原因。存在已知的坯錠熔化方法，其包括準備配料即首次熔化，在渣殼熔爐中進行，形成液體池井隨后在模具中產(chǎn)生圓柱形坯錠-電極。之后將該坯錠-電極在真空-電弧爐中再熔(RF專利No. 2263721，IPCC22B9/20, 10. 11. 2005公布)-原型。該方法使能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生高品質(zhì)坯錠。使用殼熔法形成液體池，于此使金屬維持在液態(tài)相當長時間。這有助于金屬化學組成的調(diào)合、澄清掉氣體和揮發(fā)性夾雜物，而高密度顆粒或者是溶解的或者具有較高密度，凝固在渣殼中并且不變?yōu)槿刍麇V的一部分。VAR爐中第二次熔化致使具有致密、晶粒細化和均勻組織的坯錠熔化。這種方法具有如下缺陷具有嚴格控制的強度性能的復合合金化鈦合金的熔化相當困難，這是因為引入熔體的廢料的不可預測的混合率(mix)，這導致材料的機械和加工特性的寬泛差異。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務是 生產(chǎn)具有可控強度性能的再熔鈦合金，所述性能與設計性能相差最多10%，并且引入多達100%具有任意化學組成的鈦合金可再循環(huán)廢料。技術(shù)效果是要獲得具有可控的穩(wěn)定強度和加工性能的再熔鈦合金，并同時使用廣泛的具有不同化學組成的鈦可再循環(huán)廢料；節(jié)省昂貴的化學元素；提高再熔鈦合金的エ藝靈活度。
對于含有鋁、釩、鑰、鉻、鐵、鎳、鋯、氮、氧、碳和鈦并且用于生產(chǎn)片材、結(jié)構(gòu)部件和結(jié)構(gòu)裝甲的再熔鈦合金，可通過專門加入硅與以下重量百分數(shù)的合金組分，獲得這樣的效果鋁O. 01-6. 5釩O. 01-5. 5鑰O. 05-2. O鉻0.0ト1.5鐵O. 1-2. 5
鎳O. 01-0. 5
鋯O. 01-0. 5氮彡O. 07氧彡O. 3碳彡O. I硅O. 01-0. 25鈦余量此外，鑰強度當量[Mo] 和鋁強度當量[Al] 的值按下面公式計算[Al]強度當量=Al+Zr/3+20 · 0+33 · N+12 · C+3. 3 · Si，重量0/0，(I)[Mo]強度當量=Mo+V/1. 7+Ni+Cr/O. 8+Fe/O. 7，重量 ％，(2)等于對于片材，[Mo]強度當量=2_ I-5. 6 ； [Al]強度當量=6. I-8. 83 ；對于結(jié)構(gòu)部件，[Mo]強度當量=2. 1-5. 6 ； [Al]強度當量=8. 84-12. I ；對于結(jié)構(gòu)裝甲，[Mo]強度當量=5. 7~11 ; [Al]強度當量=6· 1_12· I。所述用于生產(chǎn)片材、結(jié)構(gòu)部件和結(jié)構(gòu)裝甲的再熔鈦合金的制造方法確保了所獲得的技術(shù)效果。該方法包括準備配料，制備消耗電極、接著是在真空-電弧爐中的電極熔化。配料主要由鈦合金的可再循環(huán)廢料進行配制并且基于按下面公式計算的斷裂強度設計值進行混合σ dB-235 く 60[Al]強度當量+50[Mo]強度當量[MPa] (3),其中σ dB是合金斷裂強度的設計值，而鑰強度當量[Mo] 和鋁強度當量[Al] 量按下面公式基于廢料的化學組成進行計算[Al]強度當量=Al+Zr/3+20 · 0+33 · N+12 · C+3. 3 · Si，重量 ％，(I)[Mo]強度當量=Mo+V/1. 7+Ni+Cr/O. 8+Fe/O. 7，重量 ％，(2)進行熔化以產(chǎn)生權(quán)利要求I (par. I)的合金。本發(fā)明的性質(zhì)是基于由大量各種具有不同的多組分化學組成的鈦可再循環(huán)廢料生產(chǎn)具有嚴格控制強度性能的鈦合金的可行性。具有可控性能的重要合金的熔化需要嚴格限制合金化元素的范圍，這不可避免地導致這樣的合金的生產(chǎn)中廢料的弓I入是有限的。所產(chǎn)生的技術(shù)上的差異(discr印ancy)可通過除最佳地選擇合金化元素外還將合金化元素的比率控制在所要求保護的合金內(nèi)這樣的手段得以消除。所要求保護的合金對于片材和結(jié)構(gòu)合金具有幾乎相同的鑰強度當量(基于經(jīng)濟、強度和加工特性)，其特征在于鋁強度當量對于片材限定在6. 1-8. 83的范圍內(nèi)和對于結(jié)構(gòu)合金限定在8. 84-12. I的范圍內(nèi)。該范圍的原因在于由于[Al] 提高而提高固溶體合金化，這促進固溶硬化，固溶硬化進而劣化加工延展性。高于8. 83的鋁強度當量在軋制期間預先決定了開裂。正相反，作為結(jié)構(gòu)合金中最有效強化手段的8. 84-12. I內(nèi)的[Al] 度當量維持可接受的加工特性水平。多用于結(jié)構(gòu)裝甲的合金的鑰當量高很多并且落在[Mo] =5. 7-11內(nèi)。這是因為具有通過合金化進行控制的硬度的鈦合金與經(jīng)熱處理產(chǎn)生相同硬度的那些合金相比，防彈強度較高并且對出ロ剝落的敏感性較低。 對于防弾裝甲應用，有利地使用在退火后具有α + β -組織的鈦合金，其中機械性能水平由α相和β相的特性、組織不均勻性和類型所主導。淬火和硬化處理劣化鈦合金的防彈性能并且促進對旋塞剪切(plug shearing)的敏感性，這與α+β鈦合金的最大硬化有關(guān)并且塑性性能急劇降低。根據(jù)鈦可再循環(huán)廢料中可用的合金化元素來對合金化學組成進行選擇。α-穩(wěn)定劑組。幾乎用于各種商業(yè)合金的鋁是最有效的強化劑，其改善鈦的強度和高溫性能。合金中的常規(guī)鋁含量為O. 01-6. 5%。鋁提高到高于6. 5%導致不期望的延展性降低。氮、氧和碳提高鈦的同素異形轉(zhuǎn)變溫度并且商業(yè)鈦合金中大多作為雜質(zhì)存在。這些雜質(zhì)對鈦合金性能的影響如此之大，以致于在配料)計算期間應專門對其加以考慮以獲得在所需范圍內(nèi)的機械性能。存在彡O. 07%的氮，^ O. 3%的氧和彡O. 1%的碳對合金的熱穩(wěn)定性、抗蠕變強度和沖擊強度的降低沒有明顯影響。中性強化劑組。鋯近來用作合金化元素。鋯與α-鈦形成廣泛的固溶體，具有類似熔點和密度并且促進抗腐蝕性。與O. 01-0. 5%鋯的微合金化在重型鍛件和模鍛件以及在輕型半成品(棒材，片材，板材)中產(chǎn)生高強度和延展性的良好組合，并且使得能夠以高達60%的頂鍛比進行溫加工和冷加工。β -穩(wěn)定劑組，廣泛用于商業(yè)合金(V、Mo、Cr、Fe、Ni和Si)。釩和鐵是β -穩(wěn)定化元素，其提高合金強度并同時使其延展性幾乎維持在不變水平。與原型相比在所要求保護的合金中釩含量在O. 01-5. 5%范圍內(nèi)，向低濃度ー側(cè)移動。這允許引入不同混合量的鈦廢料。高于5. 5%的釩含量不期望地劣化延展性。當鐵含量小于O. 1%時，其作用不足，而其含量提高到高于2. 5%則導致合金延展性不期望地降低。所要求保護的合金具有少量β_穩(wěn)定化鉻，其也促使合金強度的提高。當鉻含量小于O. 01%時，其作用不足，而其I. 5%的上限通過鈦廢料中的鉻含量進行預調(diào)節(jié)。加入O. 05-2. 0%的鑰確保其在α -相中的充分溶解性，這有助于獲得所需強度性能而不劣化塑性性能。當鑰超過2.0%時，合金的比密度提高，這是因為鑰是重金屬，并且這導致合金的塑性性能降低。所要求保護的合金含有鎳。提高的鋁和釩含量促進合金在具有腐蝕性氣體的導向流的環(huán)境中的抗腐蝕和沖蝕性。鎳的存在還增加抗腐蝕性。當鎳低于O. 01%時其作用不足，而在低品質(zhì)海綿鈦中鎳含量所測定的上限為O. 5%。
不同于原型，該合金加入有ー種或多種β_穩(wěn)定劑即硅，其在所要求保護的其范圍內(nèi)充分可溶于α_相并且確保ct -固溶體的硬化和在合金中產(chǎn)生少量(至多5%) β-相。此外，硅的加入提高該合金的耐熱性。與原型的主要差異在于如下事實所提出的發(fā)明使得通過靈活選擇合金化元素的量(基于在不同等級鈦合金的廢料中它們的存在量)，能夠以高精度獲得再熔鈦合金的可控強度特性。本發(fā)明是基于通過用α -穩(wěn)定劑和中性強化劑進行合金化并且通過加入β -穩(wěn)定劑將鈦合金硬化作用進行劃分的可能性。這種可能性通過下面的考慮事項得到證明。與鋁等同的元素大多通過固溶強化使鈦合金硬化，而β_穩(wěn)定劑通過提高較強的β_相的量使鈦合金硬化。鋁強度當量的計算是基于所加入的l%(wt.)溶解的α -穩(wěn)定劑和中性強化劑的效率。此處還考慮到加入硅，這是因為雖然對β_相的量具有很小影響，但使其相當強。由加入l%(wt.)合金化元素引起的鈦合金斷裂強度的提高選取等于Al-60，Zr-20, Si-200,0-1250，N-2000 和 C_700MPa/%。 相應地，鑰強度當量基于所加入的l%(wt.)溶解的β_穩(wěn)定劑的效率進行計算。由加入l%(wt.)合金化元素引起的鈦合金斷裂強度的提高選取等于Mo-50，V-30, Cr-65，F(xiàn)e-70 和 Ni-50MPa/%。目前鋁和鑰強度當量相應地由公式⑴和(2)給出。用于坯錠熔化的配料的化學組成的選擇是基于所需合金斷裂強度值并且由比率
(3)所限定。在鑰和鋁強度當量基于廢料的化學組成計算后，接著是[Al] 和[Mo] _
內(nèi)的配料計算以及坯錠熔化。鋁強度當量和鑰強度當量之比的改變有助于在合金的化學組成范圍內(nèi)靈活控制其強度和加工性能。發(fā)明實施方式實施例1，用于結(jié)構(gòu)應用(板材、鍛件、模鍛件)的物品將具有不同化學組成的16種合金雙重真空電弧熔化用于所要求保護的合金(23kg坯錠)性能的試驗測試。在對應于最常使用的Ti-6A1-4V類結(jié)構(gòu)合金的抗張性能的退火條件下可預測的抗張性能，用作配料計算的基準。以引入等于50%的現(xiàn)有廢料將坯錠雙重熔化。將這些坯錠進行鍛制和軋制以產(chǎn)生30-32mm直徑的棒材。在表I中給出了所述合金的化學組成。表I.
權(quán)利要求
1.含有鋁、釩、鑰、鉻、鐵、鎳、鋯、氮、氧、碳和鈦并且用于制造片材、結(jié)構(gòu)部件和結(jié)構(gòu)裝甲的再熔鈦合金，其特征在于還加入硅，其各組分的重量百分數(shù)如下招 O. 01-6. 5 凡 O. 01-5. 5鑰 O. 05-2. O鉻 O. 01-1. 5鐵 O. 1-2. 5鎳 O. 01-0. 5,告 O. 01-0. 5氮 < O. 07氧彡O. 3碳彡O. I娃 O. 01-0. 25鈦余量 同時，鑰強度當量[Mo] 和鋁強度當量[Al] 的值按下面公式計算[Al]強度當量=Al+Zr/3+20 · 0+33 · N+12 · C+3. 3 · Si，重量 ％，(I)[Mo]強度當量=Mo+V/l. 7+Ni+Cr/O. 8+Fe/O. 7，重量 ％，(2) 等于對于片材，[Mo]強度當量=2. I-5. 6 ； [Al]強度當量=6. I-8. 83 ；對于結(jié)構(gòu)部件，[Al]強度當量=2. 1-5. 6 ； [Mo]強度當量=8. 84-12. I ； 對于結(jié)構(gòu)裝甲，[Mo]強度當量=5· 7_11 ; [Al]強度當量=6. 1_12· I。
2.用于后續(xù)制造片材、結(jié)構(gòu)部件和結(jié)構(gòu)裝甲的再熔鈦合金的制造方法，該方法包括準備配料，制備消耗電極、消耗電極隨后在真空-電弧爐中熔化，其特征在于配料由鈦合金的廢料制造并且并且基于按下面公式計算的合金極限屈服強度設計值進行配制σ β—235 ^ 60[Al]強度當量+50[Mo]強度當量[MPa] (3)， 其中 σ dB是合金極限強度的設計值，鑰強度當量[Mo] 和鋁強度當量[Al] 按下面公式基于廢料的化學組成進行計算[Al]強度當量=Al+Zr/3+20 · 0+33 · N+12 · C+3. 3 · Si，重量 ％，(I)[Mo]強度當量=Mo+V/l. 7+Ni+Cr/O. 8+Fe/O. 7，重量 ％，(2) 進行熔化以產(chǎn)生權(quán)利要求I的合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及由再熔原料生產(chǎn)α-，近α-和α+β鈦合金，所述合金主要用于國防和民用部門用片材、結(jié)構(gòu)部件和結(jié)構(gòu)裝甲的制造。該合金的特征在于如下化學組成，重量百分數(shù)0.01-6.5Al，0.01-5.5V，0.05-2.0Mo，0.01-1.5Cr，0.1-2.5Fe，0.01-0.5Ni，0.01-0.5Zr，0.01-0.25Si，氧-至多0.3，碳-至多0.1，氮-至多0.07和鈦-余量?；谒杩箯垙姸葋砼渲乒不炝?，同時合金化元素的含量基于鋁和鉬強度當量的設計值進行計算。所提出的合金及其制造技術(shù)有助于解決引入各種的鈦合金制造具有所需加工和結(jié)構(gòu)性能的成品的問題。
文檔編號C22C14/00GK102834537SQ201080064467
公開日2012年12月19日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月20日
發(fā)明者V·V·捷秋金, I·V·萊溫, I·J·普扎科夫, N·J·塔倫科瓦 申請人:威森波-阿維斯瑪股份公司