一种高强钛合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高强钛合金及其制备方法，本发明专利技术高强钛合金，按质量含量计，包括Al 2.2～3.8％、Mo 4.5～5.5％、V 4.0～5.0％、Si≤0.15％、Zr(0,50％]和余量的Ti。本发明专利技术严格控制各元素的含量，提升钛合金的力学性能，其中，由于Zr元素的添加会引起晶格畸变，这些缺陷会导致在形核过程中，形核点增多，形核的密度增加，起到晶粒细化到作用，进行实现细晶强化；V使合金形成β相的能力增强；V是α+β转变温度稍许下降，在α‑Zr和α‑Ti中的溶解度很小，与Ti和Zr的中间相分别为TiV2和ZrV2，两相在基体中的弥散能够提高强度；并且V的添加能够细化晶粒，提高强度。

【技术实现步骤摘要】
一种高强钛合金及其制备方法
本专利技术涉及钛合金
，特别涉及一种高强钛合金及其制备方法。
技术介绍
钛合金以其高比强度、高比模量、耐腐蚀等一系列优势，具有广泛的应用优势，在海洋工程、航空航天、生物医学、冶金、化工、轻工等诸多领域均得到重视。结构钛合金以其优异的可加工性及力学性能，在航空航天工业中强度高、形状复杂的零件制造，如航空飞机的机翼接头结构件、机身与起落架连接框、吊挂发动机接头等部位,以及对强度及耐久性要求高的重要或关键承力部件的制作。但作为航空结构的传统钛合金来讲，其强度水平仍难以满足日益苛刻的工业服役标准。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种高强钛合金及其制备方法。本专利技术提供的钛合金强度和韧性综合力学性能优异，满足航空结构用钛合金的要求。本专利技术提供了一种高强钛合金，按质量含量计，包括Al2.2～3.8％、Mo4.5～5.5％、V4.0～5.0％、Si≤0.15％、Zr(0,50％]和余量的Ti。优选的，所述高强钛合金包括包括Al2.2～3.8％、Mo4.5～5.5％、V4.0～5.0％、Si≤0.15％、Zr(0,50％]和余量的Ti。优选的，所述高强钛合金的组织包括β相基体和α′马氏体相；所述高强钛合金组织的晶粒为51.4～120.5μm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的高强钛合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将合金原料熔炼后得到铸态合金坯；(2)将所述步骤(1)得到的铸态合金坯进行保温处理后变形，得到致密化合金坯；(3)将所述步骤(2)得到的致密化合金坯进行固溶处理，得到高强钛合金。优选的，所述步骤(1)中熔炼为真空电弧熔炼，所述真空电弧熔炼的温度为2000～2900℃。优选的，所述步骤(1)中熔炼次数在5次以上，每次熔炼时间在1min以上。优选的，所述步骤(2)中保温处理的温度为880～950℃，保温处理的时间为0.5～1.0h。优选的，所述步骤(2)中变形为轧制变形；所述轧制变形的总变形量为60～70％，轧制变形的温度为895～935℃。优选的，所述轧制变形为多道次轧制，每道次的变形量为10～15％；采用多道次轧制时，每道次轧制后，将轧制后合金坯在轧制变形的温度下保温5～7min。优选的，所述步骤(3)中固溶处理的保温温度为895～935℃，固溶处理的保温时间为3～7min，固溶处理的冷却方式为水淬。本专利技术提供了一种高强钛合金，按质量含量计，包括Al2.2～3.8％、Mo4.5～5.5％、V4.0～5.0％、Si≤0.15％、Zr(0,50％]和余量的Ti。本专利技术严格控制各元素的含量，提升钛合金的力学性能，其中，由于Zr元素的添加会引起晶格畸变，这些缺陷会导致在形核过程中，形核点增多，形核的密度增加，起到晶粒细化到作用，进行实现细晶强化；Mo可固溶强化β相，降低相变点，增强淬透性，从而增强热处理强化效果；所述V属于同晶型β稳定元素，使合金形成β相的能力增强；V使α→β相转变温度稍许下降，在α-Zr和α-Ti中的溶解度很小，与Ti和Zr的中间相分别为TiV2和ZrV2，两相在基体中的弥散能够提高强度；并且V的添加能够细化晶粒，提高强度。本专利技术，Al元素的固溶强化效果显著，且与Mo、V元素一起对合金想相组成进行调整，优化了合金的相组织，同时大量Zr元素的添加除了起到固溶强化的作用外，还适当降低了合金的α→β相转变温度，使得合金保留了更多的β相，β相为体心立方结构相对于密排六方结构的α相其滑移系较多，表现为塑性较好，且合金的原始β晶粒得到细化，原始β晶界密度增加，使得位错运动受到阻碍，强度进一步得到提升。实验结果表明，本专利技术得到的钛合金的抗拉强度提高了41.3％。附图说明图1为实施例1制得的钛合金的金相光学显微图；图2为实施例2制得的钛合金的金相光学显微图；图3为实施例3制得的钛合金的金相光学显微图；图4为实施例4制得的钛合金的金相光学显微图；图5为实施例5制得的钛合金的金相光学显微图；图6为本专利技术拉伸性能测试用拉伸试样尺寸图。具体实施方式本专利技术提供了本专利技术提供了一种高强钛合金，按质量含量计，包括Al2.2～3.8％、Mo4.5～5.5％、V4.0～5.0％、Si≤0.15％、Zr(0,50％]和余量的Ti。本专利技术提供的高强钛合金，按质量含量计，包括Al2.2～3.8％，优选为2.4～2.8％或3.5～3.8％，更优选为2.5％。在本专利技术中，所述Al用于形成钛铝合金的δ相组织；元素Al极大的提高了α相的稳定性和β-α转变温度，便于在固溶处理过程中在淬火后获得的均为细小的α相，可以大幅提高钛合金的比强度，同时也可以使合金在一定程度上实现轻量化；并且铝的添加可大大提高锆的抗腐蚀性。本专利技术提供的高强钛合金，按质量含量计，包括Mo4.5～5.5％，优选为5.0～5.5％，进一步优选为5.2～5.4％。在本专利技术中，所述Mo固溶强化β相，降低相变点，增强淬透性，从而增强热处理强化效果；Mo元素的添加还可以改善合金的耐蚀性。且由于Mo的低扩散率，其还可以降低合金在两相区轧制时的温度敏感性，扩大合金加工窗口；低的Mo当量提高了α相的形核驱动力，改变了合金时效动力学，使得α相更均匀分布，从而可获得优良的力学性能。专利技术提供的高强钛合金，按质量含量计，包括V4.0～5.0％，优选为4.5～4.8％，进一步优选为4.6～4.9％。在本专利技术中，所述V属于同晶型β稳定元素，使合金形成β相的能力增强；V使α→β转变温度稍许下降，在α-Zr和α-Ti中的溶解度很小，与Ti和Zr的中间相分别为TiV2和ZrV2，两相在基体中的弥散能够提高强度，降低合金的抗腐蚀性；并且V的添加能够细化晶粒，提高强度和塑性。本专利技术提供的高强钛合金，按质量含量计，包括Zr(0,50％]，优选为2.5～50％，进一步优选为2.5～30％，更优选为5～28％，再优选为8～15％。在本专利技术中，由于Zr元素的添加会引起晶格畸变，这些缺陷会导致在形核过程中，形核点增多，形核的密度增加，起到晶粒细化到作用，进行实现细晶强化；在基体钛中添加了元素Zr，对相变温度影响不大的中性元素Zr与Ti形成无限固溶体，从而实现固溶强化，且Zr的致钝电位较Ti更负，即使在弱氧化条件环境中依然可以发生钝化，提高了表面生成致密氧化膜的能力，提升了其耐腐蚀性能。本专利技术提供的高强钛合金，按质量含量计，包括Si≤0.15％，优选为0.001～0.1％，进一步优选为0.01～0.0.8％。在本专利技术中，少量Si的加入能够提高钛合金的高温强度和蠕变性能。本专利技术提供的高强钛合金，按质量含量计，除上述各元素外，包括余量的Ti。在本专利技术中，所述高强钛合金的组织优选包括β相基体和α'马氏体，进一步优选为β相基体和细小的针状′马氏体相与层片状α′马氏体相。在本专利技术中所述高强钛合金组织中晶粒的粒径优选为51.4～120.5μm，进一步优选为60～90μm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的高强钛合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将合金原料熔炼后得到铸态合金坯；(2)将所述步骤(1)得到的铸态合金坯进行保温处理后变形，得到致密化合金坯；(3)将所述步骤(2)得到的致密化合金坯进行固溶处理，得到高强钛合金。本专利技术将合金原料熔炼后得到铸态合金坯。本专利技术对所述合金原料的种类没有特殊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强钛合金，按质量含量计，包括Al 2.2～3.8％、Mo 4.5～5.5％、V4.0～5.0％、Si≤0.15％、Zr(0,50％]和余量的Ti。

【技术特征摘要】
1.一种高强钛合金，按质量含量计，包括Al2.2～3.8％、Mo4.5～5.5％、V4.0～5.0％、Si≤0.15％、Zr(0,50％]和余量的Ti。2.根据权利要求1所述的高强钛合金，其特征在于，所述高强钛合金包括包括Al2.2～3.8％、Mo4.5～5.5％、V4.0～5.0％、Si≤0.15％、Zr(0,50％]和余量的Ti。3.根据权利要求1或2所述的高强钛合金，其特征在于，所述高强钛合金的组织包括β相基体和α′马氏体相；所述高强钛合金组织中晶粒的粒径为51.4～120.5μm。4.权利要求1～3任意一项所述的高强钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将合金原料熔炼后得到铸态合金坯；(2)将所述步骤(1)得到的铸态合金坯进行保温处理后变形，得到致密化合金坯；(3)将所述步骤(2)得到的致密化合金坯进行固溶处理，得到高强钛合金。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘日平，刘曙光，姬朋飞，马明臻，景勤，张新宇，刘永，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13