[发明专利]一种低成本易生产β钛合金及其制造方法

说明书

技术领域

本发明创造涉及一种β钛合金，特别是一种比现有β钛合 金更廉价、易于工业化生产、且力学性能能基本保持同等水平 的β钛合金及其制造方法。

背景技术

钛合金体系中，β钛合金具有最高的比强度(强度/密度) 和良好的冷加工性能，最早以军工应用为目的。而目前工业β 钛合金越来越广泛应用于民用领域，例如钛眼镜架、微型移动 电视、导航仪、手机、高尔夫球杆、渔具以及最近几年的人体 植入材料等。然而为了稳定β相在β型钛合金中加入了大量 Mo、Nb、Ta、V等难熔高密度元素，导致β钛合金密度大、生 产出无金属夹杂的合格材料难，由于加入了价格昂贵的贵金属 致使β钛合金成本居高不下。因此，β钛合金即使在军工领域 也应用有限，而民用领域应用就更少了。为了使β钛合金更广 泛应用于民用领域迫切需要开发低成本、易产业化、性能不降 低的β钛合金。

表1列出了从β钛合金发明到目前各种类型β钛合金的成 分和特征。No.1～13合金是传统的β钛合金，它们有的已经商 品化，有的已经被淘汰，即使商品化的合金应用也不大。从表 中可以看出，这类合金大都加入了难熔、高密度、高价格的Mo、 Nb、Ta金属，而工业生产钛合金方法是真空自耗电弧熔炼法， 一旦出现上述金属夹杂，即使重熔十次也不能完全消除，因此 它们的熔炼是个技术难关，这些合金的产品金属夹杂是经常产 生的。各个合金的其它优缺点就不一一评述了，但值得一提的 是，其中No.9合金是美国近期开发的低成本β钛合金，因为它 加入了4.5％的Fe(铁)，使得可以采用Mo-Fe中间合金，从而 降低了合金成本。但该合金存在的问题是，Mo夹杂还可能产生， 更重要的是由于含有4.5％的Fe，合金出现β斑的可能性很大， 在航空航天应用是绝对不允许出现β斑的。如Ti-10V-2Fe-3Al 合金出现富Fe的β斑，使得生产者在生产过程中不得不花大量 功夫来解决该问题。

表中No.14～16合金是含有12％以上V的β钛合金，它们 的优点是不含难熔高密度金属，避免了金属夹杂的产生，而且 降低了合金密度。但是由于大量V的加入使合金的抗氧化性下 降，很容易受到氧气的玷污，致使氧化皮疏松，在热加工和热 处理过程中金属损耗大，成品的表面质量和性能受影响，其中 No.14合金尤为严重，尽管它有良好的冷加工性和低的合金密 度，但它成本很高，因为它采用纯金属V或高V-Al加入。

表中No.17～27合金是近期开发的用于人体植入材料的钛 合金，由于不能加入V、Al等有害元素，同时需要具有与人骨 相近的杨氏弹性模量，而加入了大量Nb、Ta、Hf、Zr等金属， 其中Nb、Ta、Hf是难熔、高密度、高价格金属，显然，第一个 问题是用目前工业生产手段，难以使它们合金化，目前多处于 实验室阶段，解决它们合金化问题有待于新设备、新技术和新 工艺的突破。此外，由于Nb、Ta是β相低稳定元素，表中合金 的加入量不足以稳定β组织，  因此它们的固溶处理必须采用冰 水冷却，使热处理工艺复杂化。

综上所述，现有的β钛合金各自存在着不同的缺点，人们 期待着性能优良、成本低廉、生产简便的β钛合金的诞生。

表1β钛合金表

发明内容

为克服现有β钛合金存在的上述问题，本发明创造的目的 是提供成分简单、成本低、熔炼及热加工和热处理简便、力学 性能好的β钛合金。

本发明创造解决其技术问题所采用的技术方案：一种低成 本易生产β钛合金，在Ti中加入由V、Cr、Al、Zr中的至少二 种元素组成的合金，其重量百分比为  V＝6～9％、Cr＝6～13％、 Al＝2.5～4.5％、Zr＝4～12％，余量为Ti及不可避免的杂质元素， 其常规力学性能为σb＝900～100MPa，ψ＝40～65％，δ＝8～20％。

一种低成本易生产β钛合金的制造方法，采用Al热法生产 的V-Cr-Al中间合金破碎成粒1～5mm与海绵Ti按钛合金的成 分含量进行充分混合后压成自耗电极，或者采用金属Cr、海绵 Zr与海绵Ti按钛合金的成分含量进行充分混合后压成自耗电 极，在真空自耗电弧炉中经二至三次熔炼成铸锭，按常规β钛 合金锻造和轧制工艺制成钛合金材，对钛合金材进行固溶处理。

本发明创造与现有技术相比有如下优点和效果：