一种低成本易生产β钛合金及其制造方法 【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：
1、经研究发现在Ti中加入9％以下的V，并有Cr、Al存在地情况下其抗氧化性大大增强，氧化层致密，在热加工中不易脱落，在热处理后表面光滑、成品精整量少、表面质量良好。
2、由于不含难熔、高密度元素，铸锭熔炼十分简易，不产生夹杂；V的熔点为1905℃，密度为6.1g/cm3，Cr的熔点为1875，密度为7.19g/cm3，Al的熔点为660℃，密度为2.7g/cm3，可以看出它们的熔点、密度都远低于Mo(熔点为2615℃，密度为10.2g/cm3)、Nb(熔点为2468，密度为7.0g/cm3)和Ta(熔点为2998，密度为16.6g/cm3)；而合金元素用常规Al热法生产的V-Cr-Al中间合金加入，其熔点约1650～1750℃，密度约6～7g/cm3，与Ti(熔点为1668℃，密度为4.5g/cm3)十分接近，从而使合金铸锭熔炼十分方便，完全排除了金属夹杂产生的可能，同时使合金密度保持在相对低的水平。
3、由于所选用的元素除V外成本都比较低，而用Al热法生产的含V中间合金取代纯V使合金成本显著下降，因此，本发明的β型钛合金具有低成本易产业化的优势。
4、此外本合金由于加入足够量的V、Cr等β稳定化元素，因此固溶处理无需水冷却即能保持β相组织，热处理工艺简单，方便应用。
5、合金中如不加入V、Al，则可成为较好的人体植入材料，可以替代目前多数的高Nb、Ta、Hf合金。
6、优化工艺生产的合金冷加工总变形量可达92％，具有优良的冷加工性。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方案对本发明一种低成本易生产β钛合金及其制造方法简述如下：
实施例1：
采用Al热法生产的V-Cr-Al中间合金破碎成粒1～5mm，其配入成分为：6％V+10％Cr+3％Al，与海绵Ti混合后压制成自耗电极，在真空电弧中经3次熔炼成铸锭，经锻造轧制成20mm棒材，并经固溶处理后其力学性能为：σb＝910MPa，ψ＝61％，δ＝20％，冷加工总变形量达92％。
实施例2：
与例1工艺相同， 中间合金为V-Cr-Al，中间合金配比为：7％V+9％Cr+3.5％Al，其力学性能为：σb＝920MPa，ψ＝60％，δ＝18％。
实施例3：
与例1工艺相同，中间合金为V-Cr-Al，中间合金配比为：8％V+8％Cr+4％Al，其性能为：σb＝930MPa，ψ＝50％，δ＝15％。
实施例4：
与例1工艺相同，中间合金为V-Cr-Al，中间合金配比为：9％V+6％Cr+4.5％Al，其力学性能为：σb＝910MPa，ψ＝55％，δ＝16％。
实施例5：
与例1工艺相同，中间合金为V-Cr-Al，中间合金配比为：6％V+10％Cr+2.5％Al，其力学性能为：σb＝1000MPa，ψ＝45％，δ＝10％。
实施例6：
与例1工艺相同，中间合金为V-Cr-Al，中间合金配比为：7％V+8％Cr+4％Al，其力学性能为：σb＝960MPa，ψ＝58％，δ＝12％。
实施例7：
与例1工艺相同，中间合金为V-Cr-Al，中间合金配比为：9％V+7％Cr+4％Al，其力学性能为：σb＝920MPa，ψ＝62％，δ＝18％。时效后力学性能为：σb＝1300MPa，ψ＝15％，δ＝5％。
实施例8：
与例1工艺相同，中间合金为V-Cr-Al，中间合金配比为：7％V+8.5％Cr+3％Al，其力学性能为：σb＝930MPa，ψ＝60％，δ＝18％。时效后力学性能为：σb＝1250MPa，ψ＝16％，δ＝6％。
实施例9：
采用粒度为1～8mm的海绵Zr、金属Cr与海绵Ti充分混合后压成自耗电极，其配比为：10％Cr+12％Zr+Ti余量，经真空自耗电弧炉三次熔炼，按常规β钛合金锻造和轧制工艺制成Φ20mm棒材，经固溶处理后，其力学性能为σb＝950MPa，σ0.2＝880MPa，δ＝14％，ψ＝45％，弹性模量为88GPa。
实施例10：
采用实施例9相同工艺过程，合金配比为9％Cr+12％Zr+Ti余量，固溶处理后其力学性能为σb＝930MPa，σ0.2＝840MPa，δ＝15％，ψ＝50％，弹性模量为88GPa。
实施例11：
采用实施例9相同工艺过程，合金配比为9％Cr+11％Zr+Ti余量，固溶处理后其力学性能为σb＝920MPa，σ0.2＝820MPa，δ＝16％，ψ＝55％，弹性模量为88GPa。
实施例12：
采用实施例9相同工艺过程，合金配比为8％Cr+11％Zr+Ti余量，固溶处理后其力学性能为σb＝910MPa，σ0.2＝820MPa，δ＝18％，ψ＝55％，弹性模量为88GPa。
实施例13：
采用实施例9相同工艺过程，合金配比为12％Cr+4％Zr+Ti余量，固溶处理后其力学性能为σb＝950MPa，σ0.2＝880MPa，δ＝16％，ψ＝50％，弹性模量为88GPa。
实施例14：
采用实施例9相同工艺过程，合金配比为8％Cr+8％Zr+Ti余量， 固溶处理后其力学性能为σb＝920MPa，σ0.2＝840MPa，δ＝17％，ψ＝55％，弹性模量为88GPa。