权利要求
1.一种低成本高强度的两相钛合金，其含有Ti和不可避免的杂质元素，其特征在于，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
Al：5.3~6.3%，V：3.4~4.4%，Cr：0.5~1.4%，Fe：0.6~1.4%。
2.如权利要求1所述的两相钛合金，其特征在于，其各化学元素质量百分比为：
Al：5.3~6.3%，V：3.4~4.4%，Cr：0.5~1.4%，Fe：0.6~1.4%;余量为Ti和其他不可避免的杂质元素。
3.如权利要求1或2所述的两相钛合金，其特征在于，在其他不可避免的杂质中，C≤0.05%，N≤0.05%，O≤0.15%，H≤0.015%。
4.如权利要求1或2所述的两相钛合金，其特征在于，其铸态室温下的抗拉强度≥865MPa，屈服强度≥825 MPa，延伸率≥8%。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的两相钛合金的制造方法，其特征在于，包括步骤：
获取原料，所述原料包括海绵钛，铁块、铬块、铬铁合金、铝钒合金以及金属铝;
压块：将铝钒合金、金属铝以及一部分海绵钛混合后压块，以作为第一压块;将铬铁合金、铁块、铬块以及其余的海绵钛混合后压块，以作为第二压块;
布料：在码料过程中，在高度方向上将第一压块和第二压块交替布置，并且第一压块相对于第二压块位于下层;
电子束冷床炉一次熔炼。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在电子束冷床炉冶炼步骤后还包括铸锭后处理：对电子束冷床炉冶炼获得的铸锭毛坯进行铣面。
7.如权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在获取原料步骤中，所述铬铁合金占全部原料的质量百分比为1.1%~2.8%。
8.如权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在获取原料步骤中，所述铝钒合金占全部原料的质量百分比为8.7%~10.7%。
9.如权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在压块步骤中，将铝钒合金、金属铝以及一部分海绵钛以(17.4%~21.4%)：(0.2~1.0%)：(77%~82%)的质量比例混合后压块，以作为第一压块。
10.如权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在压块步骤中，将铬铁合金、铁块、铬块以及其余的海绵钛以(2.2%~5.6%)：(0.05~0.3%)：(0.05~0.3%)：(94%~98%)的质量比例混合后压块，以作为第二压块。
11.如权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在压块步骤中，将第一压块和第二压块烘干3-5h，烘干温度为150-180℃。
12.如权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在电子束冷床炉一次熔炼步骤中，电子束输出功率的70%~80%在物料上。
13.如权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在电子束冷床炉一次熔炼步骤中，平均拉锭速度为190-205mm/h，平均熔炼速度为490-520kg/h。
14.如权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在电子束冷床炉一次熔炼步骤中，在加料时，电子束冷床炉两侧的料箱同时向内匀速推料，推料速度为490-520kg/h。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及一种合金及其制造方法，尤其涉及一种钛合金及其制造方法。
背景技术
[0002]钛合金因其优异的力学性能、良好的耐腐蚀性和轻质特性，在航空航天、军事、医疗及汽车领域得到了广泛应用。然而，钛合金的高成本一直是制约其在更广泛工业应用中的一个关键因素。
[0003]降低原料成本是实现低成本钛合金的一个关键策略。在合金设计中，采用廉价元素替代高成本元素是一种常见的手段。例如，采用铁(Fe)元素替代钒(V)元素，以及使用氧(O)和氮(N)元素替代铝(Al)元素，从而在不显著降低合金性能的情况下降低原料成本。这些替代元素不仅能够降低生产成本，还能在一定程度上改善钛合金的强度、耐腐蚀性和加工性能。此外，通过调整这些元素的含量，能够精细调控合金的微观组织结构和力学性能，从而在确保合金性能的基础上，降低生产成本。
[0004]现有技术中，已有专利文献涉及上述技术领域，例如，公开号为CN119162490A，公开日为2024年12月20日，名称为“一种低成本耐腐蚀的α+β双相钛合金及其制备方法”的中国专利文献公开了一种低成本耐腐蚀的α+β双相钛合金及其制备方法，其表达式为Ti-6Al-xV-2Sn-0.5Cu-yFe，其中x+y=6.5，x=0、1 .5、3、4.5或6，以此来降低价格昂贵的V金属含量，实现低成本制造，且不损失合金耐腐蚀性能。但是其采用的是真空非自耗电弧熔炼，合格铸锭的熔炼的次数达到5次。
[0005]又例如，公开号为CN119162489A，公开日为2024年12月20日，名称为“一种海洋工程用高强度钛合金棒材的制备方法”的中国专利文献公开了一种海洋工程用高强度钛合金棒材的制备方法，该发明为了控制材料成本，合金中未添加贵重金属元素，为 Ti-Al-V-Fe系合金，采用真空自耗炉熔炼工艺多次熔炼获得合格铸锭。该发明的侧重点在于铸锭后续加工和热处理工艺。
发明内容
[0006]本发明的目的之一在于提供一种低成本高强度的两相钛合金，该两相钛合金在Ti-6Al-4V合金的基础上，加入铬元素、铁元素，并通过控制其他元素的质量百分数，以较低的成本，能够获得高强度的两相钛合金，并且还较大幅度提高了两相钛合金的塑性。
[0007]为了实现上述目的，本发明提出了一种低成本高强度的两相钛合金，其含有Ti和不可避免的杂质元素，此外其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
Al：5.3~6.3%，V：3.4~4.4%，Cr：0.5~1.4%，Fe：0.6~1.4%。
[0008]进一步地，在本发明所述的两相钛合金中，其各化学元素质量百分比为：
Al：5.3~6.3%，V：3.4~4.4%，Cr：0.5~1.4%，Fe：0.6~1.4%;余量为Ti和其他不可避免的杂质元素。
[0009]本发明所述的两相钛合金的各化学元素的设计原理具体如下所述：
Al：铝是钛合金中典型的α稳定元素，主要起到固溶强化和稳定α相的作用。适量添加铝可以提高合金的强度、蠕变性能和高温稳定性。铝含量过高会导致α相比例过大，降低塑性;含量过低，则强化效果不足。基于此，在本发明中，铝的含量控制在5.3~6.3 wt.%，以确保维持一定体积分数的α相，同时兼顾良好的力学性能和热稳定性。
[0010]V：钒是典型的β稳定元素，其主要作用是稳定β相、降低β→α转变温度、改善合金热加工性能。在本发明中，适当降低钒含量至3.4~4.4 wt.%，在确保两相组织稳定的基础上，有助于降低合金成本。在本发明中，上述含量范围的V元素配合Cr和Fe的添加，可以维持所需的β相稳定性，同时减轻钒含量减少对强度的影响。
[0011]Cr：铬为β稳定元素，价格低于钒，可作为部分钒的替代元素，同时增强β相的稳定性并提高合金的淬透性。此外，铬还可以提高钛合金的耐蚀性和热稳定性，尤其在高温环境下有利于组织稳定。基于此，本发明通过添加0.5~1.4 wt.%的铬，可以在不显著增加成本的前提下，优化合金的组织和综合性能。
[0012]Fe：铁同样是价格低廉的β稳定元素，其β稳定能力强，能在较低含量下显著降低β→α的转变温度，利于获得细小的两相组织，提高强度和塑性配合。在本发明中，控制铁含量在0.6~1.4 wt.%范围内，不仅有助于实现组织细化、强化合金，而且大幅降低合金的综合成本。
[0013]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的其他不可避免的杂质中，C≤0.05%，N≤0.05%，O≤0.15%，H≤0.015%。
[0014]在上述技术方案中，C、N、O和H均为钛合金中的杂质元素，在技术条件允许情况下，应尽可能地降低各杂质元素的含量。
[0015]进一步地，在本发明所述的两相钛合金中，其铸态室温下的抗拉强度≥865MPa，屈服强度≥825 MPa，延伸率≥8%。
[0016]本发明的另一目的在于提供一种两相钛合金的制造方法，该制造方法采用廉价的中间合金，例如铝钒合金和铬铁合金，基于本发明采用的压块及布料工艺，采用电子束冷床炉进行一次熔炼，以获得低成本高强度的两相钛合金。
[0017]为了实现上述目的，本发明提供了一种两相钛合金的制造方法，其包括步骤：
获取原料，所述原料包括海绵钛，铁块、铬块、铬铁合金、铝钒合金以及金属铝;
压块：将铝钒合金、金属铝以及一部分海绵钛混合后压块，以作为第一压块;将铬铁合金、铁块、铬块以及其余的海绵钛混合后压块，以作为第二压块;
布料：在码料过程中，在高度方向上将第一压块和第二压块交替布置，并且第一压块相对于第二压块位于下层;
电子束冷床炉一次熔炼。
[0018]在本发明中的压块步骤中，通过对不同原料进行混合压块，有助于优化布料步骤中的安排，提高熔炼过程的均匀性与稳定性。
[0019]考虑到金属铝和铝钒合金熔点低，在熔炼过程中存在铝元素的挥发和烧损的问题，而铬铁合金和金属铬的熔点高、密度大，熔炼时不易熔化且容易下沉从而引起铬元素的偏析和损失。因此，本发明采用在高度方向上将第一压块和第二压块交替布置，并且第一压块相对于第二压块位于下层的布料方式，有助于铝元素的保留，并降低了铬元素的偏析风险，从而提高合金的成分均匀性及冶炼稳定性。
[0020]在本发明中，通过采用电子束冷床炉熔炼技术(EBCHM)，可在一次熔炼中去除夹杂物并获得高纯度铸锭，而传统的真空自耗电弧炉通常需要至少三次熔炼才能减少夹杂物。此外，本发明通过采用电子束冷床炉熔炼可以得到扁锭，其无需锻造就可直接用于轧制工艺，节省了时间和成本，而传统的真空自耗电弧炉得到的圆锭需要额外的锻造步骤，流程相对繁琐。因此，本发明通过采用电子束冷床炉进行一次熔炼实现了制备工艺的高效性、并且获得的铸锭纯净度高，适合于低成本高性能的两相钛合金的制备。
[0021]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的电子束冷床炉冶炼步骤后还可以包括铸锭后处理：对电子束冷床炉冶炼获得的铸锭毛坯进行铣面，以将铸坯表面的氧化层、吸气层、空洞缺陷完全去除，获取表面光滑平整的铸锭。
[0022]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的获取原料步骤中，所述铬铁合金占全部原料的质量百分比为1.1%~2.8%。
[0023]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的获取原料步骤中，所述铝钒合金占全部原料的质量百分比为8.7%~10.7%。
[0024]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的压块步骤中，将铝钒合金、金属铝以及一部分海绵钛以(17.4%~21.4%)：(0.2~1.0%)：(77%~82%)的质量比例混合后压块，以作为第一压块。
[0025]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的压块步骤中，将铬铁合金、铁块、铬块以及其余的海绵钛以(2.2%~5.6%)：(0.05~0.3%)：(0.05~0.3%)：(94%~98%)的质量比例混合后压块，以作为第二压块。
[0026]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的压块步骤中，将第一压块和第二压块烘干3-5h，烘干温度为150-180℃。
[0027]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的电子束冷床炉一次熔炼步骤中，电子束输出功率的70%~80%在物料上。
[0028]这种设置方式可以进一步避免Al元素的过量挥发，并且有效避免损伤冷床。
[0029]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的电子束冷床炉一次熔炼步骤中，平均拉锭速度为190-205mm/h，平均熔炼速度为490-520kg/h。
[0030]进一步地，在本发明所述的两相钛合金的电子束冷床炉一次熔炼步骤中，在加料时，电子束冷床炉两侧的料箱同时向内匀速推料，推料速度为490-520kg/h。
[0031]本发明所述的低成本高强度的两相钛合金及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的低成本高强度的两相钛合金通过优化成分设计，在更低的制造成本的基础上，较之现有的Ti-6Al-4V合金获得了更高的强度和更好的韧性。
[0032]在一些实施方式中，本发明所述的低成本高强度的两相钛合金的铸态室温抗拉强度≥865MPa，屈服强度≥825 MPa，延伸率≥8%，高于同等规格的Ti-6Al-4V合金铸锭的室温抗拉强度≥690 MPa，屈服强度≥660 MPa，延伸率≥3%的性能。
[0033]本发明所述的低成本高强度的两相钛合金的制造方法通过采用廉价的铬铁合金和铝钒合金，避免了使用昂贵的单质金属，从而实现材料的低成本控制，且制造方法操作容易。
[0034]本发明所述的低成本高强度的两相钛合金的制造方法通过独特的压块和布料工艺，有效解决了熔炼过程中的铝元素的挥发和烧损问题，同时还避免了铬元素的偏析和损失。
[0035]本发明所述的低成本高强度的两相钛合金的制造方法通过采用电子束冷床炉熔炼技术提供了工艺效率以及铸锭的纯度。
附图说明
[0036]图1示意性地显示了本发明所述的低成本高强度的两相钛合金的制造方法的步骤流程图。
[0037]图2显示了本发明实施例1的微观组织图。
具体实施方式
[0038]下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的低成本高强度的两相钛合金及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
[0039]实施例1-5
图1示意性地显示了本发明所述的低成本高强度的两相钛合金的制造方法的步骤流程图。
[0040]如图1所示的，本发明实施例1-5的两相钛合金采用以下步骤制得：
步骤100：获取原料，原料包括海绵钛，铁块、铬块、铬铁合金、铝钒合金以及金属铝。其中，在一些更具体的实施方式中，金属铝可以包括铝豆。
[0041]在一些实施方式中，铬铁合金占全部原料的质量百分比为1.1%~2.8%，其中廉价的铬铁合金提供成品铸锭中Cr和Fe元素质量占比90%~98%的来源。
[0042]在一些实施方式中，铝钒合金占全部原料的质量百分比为8.7%~10.7%，其中廉价的铝钒合金提供成品铸锭中Al和V元素质量占比的90%~98%的来源。
[0043]步骤200：压块：将铝钒合金、金属铝以及一部分海绵钛以(17.4%~21.4%)：(0.2~1.0%)：(77%~82%)的质量比例混合后压块，以作为第一压块;将铬铁合金、铁块、铬块以及其余的海绵钛以(2.2%~5.6%)：(0.05~0.3%)：(0.05~0.3%)：(94%~98%)的质量比例混合后压块，以作为第二压块。
[0044]在一些实施方式中，还可以将第一压块和第二压块烘干3-5h，烘干温度为150-180℃。
[0045]步骤300：布料：在码料过程中，在高度方向上将第一压块和第二压块交替布置，并且第一压块相对于第二压块位于下层。此外，在布料过程中，采用清洁的辅助工具，避免外界杂质污染原料，以确保合金质量的稳定性。
[0046]步骤400：电子束冷床炉一次熔炼：在一些具体的实施方式中，冶炼过程中采用双边进料方式，即左右两侧的料箱同时向内匀速推送步骤300布置完成的料。在一些更具体的实施方式中，推料速度为490-520kg/h。
[0047]在一些具体的实施方式中，电子束输出功率的70%~80%作用在物料上，其余20%~30%作用在冷床内。
[0048]在一些更具体的实施方式中，冶炼过程中真空度低于8×10-3Torr，电子束冷床炉共设置7把电子枪，其中1#~4#电子枪作用到物料上，电流范围可以为7~11A;5#电子枪作用到精炼区，电流范围可以为4~4.5A，6#和7#电子枪作用到结晶器上方，电流范围可以为10~11A。
[0049]在一些更具体的实施方式中，平均拉锭速度可以为190-205mm/h，平均熔炼速度可以为490-520kg/h。
[0050]在一些实施方式中，在电子束冷床炉一次熔炼步骤之后还可以包括步骤500：铸锭后处理，以将铸坯表面的氧化层、吸气层、空洞缺陷完全去除，获取表面光滑平整的铸锭。
[0051]在一些更具体的实施方式中，铸锭后处理可以包括：对铸锭头部进行锯切。并且采用龙门铣床对铸锭进行铣面，铣削总量可以控制在5-10mm，长度方向的棱边倒角≤30mm×45°。
[0052]表1列出了本发明实施例1-5的两相钛合金中各化学元素质量百分含量配比。
[0053]表1.(wt%，余量为Ti和除C、N、O和H以外其他不可避免的杂质)
表2-1和表2-2列出了本发明实施例1-5的两相钛合金的制造方法的具体工艺参数。
[0054]表2-1.
表2-2.
图2显示了本发明实施例1的微观组织图。如图2所示的，该实施例1的微观组织呈现出典型α+β两相钛合金铸态特征，由连续晶界α相、片层状α相集束以及分布于片层间的残余β相构成。
[0055]对比例1
对比例1为采用电子束冷床炉熔炼获得的Ti-6Al-4V钛合金铸锭，其制备方法包括如下步骤：
S1：获取原料包括海绵钛，金属铝和金属钒。原料在炉外进行4小时的烘干处理，烘箱温度控制在150~180℃之间，以去除多余的水分。
[0056]S2、将S1步骤中的海绵钛，金属铝和金属钒采用人工混料方式进行混料，随后将混合好的料压制成压块。
[0057]S3、采用电子束冷床炉进行铸锭熔炼。
[0058]S4、对铸锭进行铣面、探伤和修磨工作，获得Ti-6Al-4V钛合金铸锭;Ti-6Al-4V钛合金铸锭成分含量百分比为Al：6.0%，V：4.0%， C≤0.05%，N≤0.05%，O≤0.15%，H≤0.015%，余量为Ti。
[0059]将制得的实施例1-5的两相钛合金和对比例1进行取样，并对其进行力学性能测试，并将测试结果列于表3中。其中：
力学性能测试：
本发明中钛合金的拉伸性能按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行测试。将合金材料制备成标准拉伸试样，在室温条件下使用电子万能试验机测得抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS，Rp0.2)及延伸率(El)。
[0060]为确保测试结果的代表性与准确性，每种合金成分及热处理状态下分别制备5个拉伸试样，进行5组平行测试。试验结果中剔除最高值与最低值后，对剩余3组数据取算术平均值，作为最终力学性能数据。
[0061]表3列出了本发明实施例1-5的两相钛合金和对比例1的性能检测结果。
[0062]表3.
从上述表3中可以看出，本发明实施例1-5的两相钛合金在铸态室温下的抗拉强度均大于865MPa，屈服强度均大于825 MPa，延伸率均大于8%。由此可见，本发明以较低的成本获得了高强度的两相钛合金。
[0063]需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
[0064]还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
说明书附图(2)
