[发明专利]Ti-6Al-4V合金材料及其制备方法

说明书

本发明涉及Ti‑6Al‑4V合金材料及其制备方法，属于钛合金制备工艺技术领域。Ti‑6Al‑4V合金材料的制备方法，包括以下步骤：a、将含钛原料、钒氧化物、铝和造渣剂按重量比为100:4～6:55～65:105～120混匀，采用电铝热法制备出钛铝钒合金；其中，钛铝钒合金中，Al占11～16wt％，V占3.5～5wt％，Ti占80～85wt％；所述造渣剂由氧化钙和氟化钙组成；控制铝热反应温度为1550～1700℃；b、将制备的钛铝钒合金进行电子束冷床熔炼，制得Ti‑6Al‑4V合金材料。本发明方法具有成本低，工艺简单，合金纯度高，Ti/V金属回收率高等优点。

技术领域

本发明涉及Ti-6Al-4V合金材料及其制备方法，属于钛合金制备工艺技术领域。

背景技术

钛合金拥有密度低、比强度高、耐腐蚀、耐高温等优异的综合性能，在航空航天、石油化工、兵器工业和民用领域等各个领域有广泛的应用。但是钛的生产成本与钢铁和铝锭等相比成本偏高，钛锭的生产成本约为钢锭的30倍、铝锭的6倍，高的成本限制了其应用范围，尤其是在民用领域，如何降低成本使钛合金得到更广泛的应用的是钛合金研究的关键。钛合金应用中，Ti-6Al-4V是应用最为广泛的一种钛合金，占钛合金应用的90％左右。传统Ti-6Al-4V合金的制备是金属钛、金属钒和金属铝为原料在真空感应熔炼炉内进行多次熔炼，但这会造成Al的严重烧损和挥发。而且Al与V元素熔点及密度相差较大，熔炼工艺不当，会造成高熔点，大比重的合金元素偏析。消除此类偏析的方法有：采用中间合金(如V-Al中间合金)的形式加入；而V-Al中间合金主要以V₂O₅为原料采用铝热还原或者电铝热还原的方法进行制备。这就导致了Ti-6Al-4V合金成本非常高。传统工艺制备Ti-6Al-4V时铝大量挥发，为了保持合金中的铝含量，在精炼过程中不断补加铝元素，造成了操作困难，影响了合金品质。

对于钛合金真空熔炼来说，传统的真空自耗电弧炉(VAR)熔炼的钛合金锭常会出现合金元素的偏析，氧化物夹杂和杂质，以及疏松缩孔等冶金缺陷，需要熔炼多次才能获得成分合格的铸锭，而且对废料的利用率极低，大大限制了钛合金的大范围应用。电子束冷床熔炼(electron beam cold hearth melting)，简称EBCHM。是从20世纪80年代末开始用于钛合金熔炼的一种新型熔炼技术，它对钛合金中的低密度夹杂(LDI)，即钛合金铸锭中偶尔存在的富氮或富氧的硬α相夹杂缺陷)和高密度夹杂(HDI)，如Nb，Mo，WC等)有显著的去除效果。在熔炼中无需压制和焊接电极，对残料的利用率极高，并且经过一次熔炼就能得到成分均匀，组织合格的铸锭或扁锭，大大降低了钛合金的生产成本。目前，电子束冷床熔炼技术作为高质量的优质洁净钛合金的熔炼方法受到了世界各国的高度关注和深入研究，并将其广泛用于生产实践中，生产出了大量的不同类型钛合金半成品及成品。

现有技术中，西北有色金属研究院张英明对TC4合金的电子束冷床熔炼进行了研究，其最佳工艺为原料中的Al质量分数控制在7.0～7.5％，熔炼功率为250kW，熔化速度为100kg/h，生产的TC4合金各项指标均符合国家标准。但是合金元素挥发损失严重。

发明内容

本发明克服了传统制备Ti-6Al-4V合金流程长，成本高，且为了在真空条件下保持合金成分稳定不断加入铝元素造成的操作困难等问题，提供了一条新型的低成本的制备Ti-6Al-4V合金的工艺路线。

Ti-6Al-4V合金材料的制备方法，包括以下步骤：

a、将含钛原料、钒氧化物、铝和造渣剂按重量比为100:4～6:55～65:105～120混匀，采用电铝热法制备出钛铝钒合金；其中，钛铝钒合金中，Al占11wt％～16wt％，V占3.5wt％～5wt％，Ti占80wt％～85wt％；

所述造渣剂由70～80份氧化钙和35～40份氟化钙组成；控制铝热反应温度为1550℃～1700℃；