本申請涉及一種低成本鈦合金及其制備方法，屬于鈦合金材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鈦及鈦合金因具有低密度、高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、無磁、生物兼容等優(yōu)異性能，在航空、航天、艦船等領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用，然而鈦的高成本限制了鈦及鈦合金的應(yīng)用范圍，尤其在民用領(lǐng)域。目前工業(yè)鈦合金中合金化元素多數(shù)使用V、Mo、Nb、Zr、Sn和Ta等貴重金屬，使鈦合金的成本居高不下，影響了鈦合金的使用范圍。

目前降低鈦合金成本的途徑有：通過改進(jìn)原材料(海綿鈦)的生產(chǎn)方式來降低原材料成本、采用廉價合金化元素、優(yōu)化鈦合金加工工藝、優(yōu)化鈦制品加工技術(shù)等各種方法。如公開號為CN102828058A，發(fā)明名稱為《一種低成本鈦合金的制備方法》的中國發(fā)明專利，利用Mo-Fe中間合金粉末與鈦粉末均勻混合，壓制后真空燒結(jié)，其中合金成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計：Fe：1.5wt.％，Mo：2.5wt.％，提高了合金的塑性和疲勞性能，抗拉強(qiáng)度達(dá)到850MPa以上，延伸率不小于15％，斷面收縮率不小于20％；然而Mo的價格仍然較貴，因此成本降低有限，只有Fe、Al、Si、Cr、C、O、N和B等資源豐富的廉價元素才能達(dá)到大幅度降低鈦合金成本的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本申請的一個方面，提供了一種低成本鈦合金，該鈦合金采用Fe元素及B元素作為合金化元素，使得該鈦合金的成本明顯降低，同時，該鈦合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到750MPa～850MPa，延伸率10-15％，其綜合性能可以滿足某些工程領(lǐng)域的要求。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請采用如下技術(shù)方案：

一種低成本鈦合金，其特征在于，所述鈦合金以鈦為主體元素，以α穩(wěn)定元素B和β穩(wěn)定元素Fe為合金元素，所述鈦合金的各成分含量為：Fe：0.5-5wt.％，B：0.05-0.2wt.％，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選地，所述鈦合金的各成分含量為：Fe：2-5wt.％，B：0.1-0.2wt.％，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選地，所述鈦合金的各成分含量為：Fe：3-4wt.％，B：0.1-0.15wt.％，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)。

優(yōu)選地，所述鈦合金中的鈦由海綿鈦提供，硼由Fe-B中間合金提供，鐵由Fe-B中間合金和工業(yè)純鐵提供。

優(yōu)選地，所述低成本鈦合金中不可避免的雜質(zhì)包括O≤0.07wt.％，C≤0.03wt.％，N≤0.01wt.％，Si≤0.02wt.％，H≤0.004wt.％，其它雜質(zhì)元素含量均≤0.01wt.％。

根據(jù)本申請的又一個方面，提供了一種低成本鈦合金的制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請采用如下技術(shù)方案：

一種低成本鈦合金的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

(1)按所述鈦合金各成分含量計算出所需海綿鈦、Fe-B中間合金和工業(yè)純鐵的量，并按照計算結(jié)果進(jìn)行稱量；

(2)將稱量后的海綿鈦、Fe-B中間合金和工業(yè)純鐵放入冷坩堝懸浮熔煉爐的水冷銅坩堝中進(jìn)行熔煉，得到鑄錠；

(3)將步驟(2)所得的鑄錠在相變點(diǎn)以上50-150℃開坯鍛造成后制成棒材；

(4)對步驟(3)所得的棒材取樣后進(jìn)行熱處理后進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能的表征。

優(yōu)選地，所述步驟(2)具體包括：

將稱量后的海綿鈦、Fe-B中間合金和工業(yè)純鐵放入冷坩堝懸浮熔煉爐的水冷銅坩堝中，對所述冷坩堝懸浮熔煉爐的爐體抽真空后通入高純氬氣，在高溫下進(jìn)行首次熔煉；等待鑄錠充分冷卻后，把鑄錠上下倒置放入水冷銅坩堝中進(jìn)行再次熔煉，如此反復(fù)3-4次后為止。

優(yōu)選地，所述在高溫下進(jìn)行首次熔煉，是指在1500-1800℃時進(jìn)行10-20min的首次熔煉，再次熔煉的溫度和時間與首次熔煉相同；優(yōu)選在1600℃下進(jìn)行15min的首次熔煉。

優(yōu)選地，步驟(2)中，對爐體抽真空后通入高純氬氣，所述高純氬氣是指純度為99.999％的氬氣，通入量為0.5-0.7×10⁵Pa。

優(yōu)選地，步驟(4)中所述的熱處理，是指將棒材加熱至800-850℃保溫0.5-2h后空冷，再進(jìn)行400-600℃保溫0.5-2h后空冷；優(yōu)選將棒材加熱至810-840℃保溫1-1.5h后空冷，再進(jìn)行500℃保溫1h后空冷。

本申請能產(chǎn)生的有益效果包括：

1)本申請所提供的一種低成本的鈦合金，各成分含量：Fe：0.5-5wt.％，B：0.05-0.2wt.％，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)；低成本鈦合金中不可避免雜質(zhì)含量為：O≤0.07wt.％，C≤0.03wt.％，N≤0.01wt.％，Si≤0.02wt.％，H≤0.004wt.％，其他雜質(zhì)元素含量均≤0.01wt.％，總雜質(zhì)含量≤0.2wt.％。

本申請所提供的鈦合金，合金成分均勻，組織細(xì)小，抗拉強(qiáng)度達(dá)到750MPa～850MPa，延伸率10-15％，合金具有低成本的優(yōu)勢，在某些領(lǐng)域可以替代部分價格較昂貴的鈦合金。

本申請中，F(xiàn)e作為鈦合金的β穩(wěn)定元素，其市場價格低廉，F(xiàn)e加入β鈦合金中，可以加快合金時效響應(yīng)速度，達(dá)到時效強(qiáng)度峰值所需時間也較短；Fe含量過多時，容易發(fā)生偏析形成“β斑”；而鈦中加入B元素可以有效的細(xì)化鑄態(tài)組織并阻礙后續(xù)加工過程中已細(xì)化晶粒的長大，從而減少變形火次，達(dá)到降低成本的目的。

2)本申請所提供的一種低成本的鈦合金的制備方法，其制備原料采用海綿鈦、Fe-B中間合金、工業(yè)純鐵；中間合金成本如表1所示，F(xiàn)e-B中間合金成本低于其他中間合金的成本，F(xiàn)e-B中間合金的成本如表2所示。

表1.近些年幾種中間合金成本

表2.Fe-B中間合金成分

附圖說明

圖1為實(shí)施例1所得的低成本鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)圖；

圖2為實(shí)施例2所得的低成本鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)圖；

圖3為實(shí)施例3所得的低成本鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例詳述本申請，但本申請并不局限于這些實(shí)施例。

如無特別說明，本申請的實(shí)施例中的原料均通過商業(yè)途徑購買。

為使本申請的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合具體實(shí)施方式，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

1、本申請的合金成分設(shè)計的元素比例如表3所示。

2、將購買的海綿鈦、Fe-B中間合金、工業(yè)純鐵按每鑄錠1.5kg的比例進(jìn)行配比，再放入冷坩堝懸浮熔煉爐的水冷銅坩堝中，對爐體抽真空后通入純度為99.999％的氬氣，通入量為0.5×10⁵Pa的高純氬氣，在1500℃時進(jìn)行20min的合金首次熔煉。

3、等待鑄錠充分冷卻后，把鑄錠上下倒置放入水冷銅坩堝中進(jìn)行再次熔煉使合金成分均勻化，如此反復(fù)3-4次后為止。

4、根據(jù)GB/T23605-2009鈦合金β轉(zhuǎn)變溫度測定方法，測定制得合金的相變溫度。

5、鑄錠在相變點(diǎn)以上50-150℃開坯鍛造成后制成棒材。

6、對棒材取樣后進(jìn)行840℃保溫1h后空冷，再進(jìn)行500℃保溫1h后空冷的熱處理制度。

7、對熱處理后合金進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，見圖1，并按照國標(biāo)GB/T228.1-2010的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，性能見表4。

表3.實(shí)施例1中合金的配比成分

表4.實(shí)施例1中棒材的力學(xué)性能

實(shí)施例2

(1)本申請的合金成分設(shè)計的元素比例如表5所示。

(2)將購買的海綿鈦、Fe-B中間合金、工業(yè)純鐵按每鑄錠1.5kg的比例進(jìn)行配比，再放入冷坩堝懸浮熔煉爐的水冷銅坩堝中，對爐體抽真空后通入純度為99.999％的氬氣，通入量為0.6×10⁵Pa的高純氬氣，在1800℃時進(jìn)行10min的合金首次熔煉。

(3)等待鑄錠充分冷卻后，把鑄錠上下倒置放入水冷銅坩堝中進(jìn)行再次熔煉使合金成分均勻化，如此反復(fù)3-4次后為止。

(4)根據(jù)GB/T 23605-2009鈦合金β轉(zhuǎn)變溫度測定方法，測定制得合金的相變溫度。

(5)鑄錠在相變點(diǎn)以上50-150℃開坯鍛造成后制成棒材。

(6)對棒材取樣后進(jìn)行810℃保溫1h后空冷，再進(jìn)行500℃保溫1h后空冷的熱處理制度。

(7)對熱處理后合金進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，見圖2，并按照國標(biāo)GB/T228.1-2010的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，性能見表6。

表5.實(shí)施例2中合金的配比成分

表6.實(shí)施例2中棒材的力學(xué)性能

實(shí)施例3

(1)本申請的合金成分設(shè)計的元素比例如表7所示。

(2)將購買的海綿鈦、Fe-B中間合金、工業(yè)純鐵按每鑄錠1.5kg的比例進(jìn)行配比，再放入冷坩堝懸浮熔煉爐的水冷銅坩堝中，對爐體抽真空后通入純度為99.999％的氬氣，通入量為0.5×10⁵Pa的高純氬氣，在1600℃時進(jìn)行15min的合金首次熔煉。

(3)等待鑄錠充分冷卻后，把鑄錠上下倒置放入水冷銅坩堝中進(jìn)行再次熔煉使合金成分均勻化，如此反復(fù)3-4次后為止。

(4)根據(jù)GB/T 23605-2009鈦合金β轉(zhuǎn)變溫度測定方法，測定制得合金的相變溫度。

(5)鑄錠在相變點(diǎn)以上50-150℃開坯鍛造成后制成棒材。

(6)對棒材取樣后進(jìn)行810℃保溫1h后空冷，再進(jìn)行500℃保溫1h后空冷的熱處理制度。

(7)對熱處理后合金進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，見圖3，并按照國標(biāo)GB/T228.1-2010的要求進(jìn)行力學(xué)性能測試，性能見表8。

表7.實(shí)施例3中合金的配比成分

表8.實(shí)施例3中棒材的力學(xué)性能

以上所述，僅是本申請的幾個實(shí)施例，并非對本申請做任何形式的限制，雖然本申請以較佳實(shí)施例揭示如上，然而并非用以限制本申請，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本申請技術(shù)方案的范圍內(nèi)，利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許的變動或修飾均等同于等效實(shí)施案例，均屬于技術(shù)方案范圍內(nèi)。