一种近β型高强韧钛合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种近β型高强韧钛合金，由以下质量百分数的成分组成：Al 4.0％～5.5％、Zr 0.8％～1.8％、Mo 3.0％～4.5％、V 1.0％～2.0％、Fe 1.5％～2.5％、Cr 2.5％～3.5％，B不超过0.12％，余量为Ti和不可避免的杂质；本发明专利技术还公开了一种近β型高强韧钛合金的制备方法，该方法采用大量的TA15回收料为原料。本发明专利技术分别采用Al‑Zr系、Mo‑V‑Cr‑Fe系共同强化钛合金中的α相和β相，增强了耦合强化效果，使其具有良好的强韧性匹配，控制其铝当量和钼当量，保证了钛合金兼具良好的强度和韧性；本发明专利技术采用TA15钛合金回收料作为原料，大大降低了制备成本。

A Near-beta High Strength and Toughness Titanium Alloy and Its Preparation Method

The invention discloses a near-beta high strength and toughness titanium alloy, which is composed of the following components: Al 4.0%-5.5%, Zr 0.8%-1.8%, Mo 3.0%-4.5%, V 1.0%-2.0%, Fe 1.5%-2.5%, Cr 2.5%-3.5%, B no more than 0.12%, Ti and unavoidable impurities; and also discloses a preparation formula of near-beta high strength and toughness titanium alloy. This method uses a large amount of TA15 recycled material as raw material. The invention adopts Al_Zr system and Mo_V_Cr_Fe system to jointly strengthen the alpha and beta phases in the titanium alloy, enhances the coupling strengthening effect, makes it have good strength and toughness matching, controls its aluminium equivalent and molybdenum equivalent, and ensures that the titanium alloy has both good strength and toughness; The invention uses the recovered material of TA15 titanium alloy as raw material, and greatly reduces the preparation cost.

【技术实现步骤摘要】
一种近β型高强韧钛合金及其制备方法
本专利技术属于钛合金
，具体涉及一种近β型高强韧钛合金及其制备方法。
技术介绍
钛具有许多的特性：密度低、比强度高、耐腐蚀、耐温区宽、焊接性能好，是一种理想的结构材料，对国防高技术、武器装备和民用行业的发展有极其重要的作用。航空、航天、舰船、兵器、化工等军工及商业领域都大量使用钛合金，并有逐步增大的趋势。但钛合金价格高，一般为钢的8-10倍，严重影响了其在兵器、舰船及化工等成本控制要求严苛的领域。更糟糕的是，近年来钛合金最主要的中间合金铝钒价格飞涨(Al55V由2017年的约240元/kg上涨至目前的600元/kg，且我国钢铁行业钒需求旺盛，铝钒中间合金价格将会在未来很长时间内保持高位)，导致目前应用最广泛的TC4钛合金(Ti-6Al-4V)生产成本每公斤上涨15元以上。由于起步较晚，我国兵器工业目前缺乏专用的低成本、高比强度、高损伤容限型钛合金，即低成本高强韧钛合金，从而很难在保证使用安全、高效减重的前提下，将生产成本控制在比较低的范围。此外，由于兵器工业的应用特性，部分钛制品需要长期与地面或其它材料制备的结构件相互摩擦，因此对兵器用钛合金的耐磨性提出更高的要求。国内外低成本高强钛合金的研制工作一直在进行。西北有色金属研究院研制的Ti12LC(Ti-4.5Al-7Mo-2Fe)合金、美国研制的LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al)，均采用廉价的Fe或Fe-Mo中间合金作为生产原料，可以显著降低材料成本，但合金依然具有良好的力学性能及热加工塑性。上述两个合金的抗拉强度均可达到约1100MPa，韧性与TC11相当，属于常规的高强低成本钛合金，但其比强度与更高强度的钛合金，特别是强度超过1400MPa的超高强钛合金相比，仍有一定的差距。此外，上述两个钛合金及现有的常规钛合金，其耐磨性与高强钢相比，均有很大的差距，对于履带等既有强度要求、又有耐磨性要求的结构件，目前尚无法满足设计要求。在合金中加入少量的B元素，既可以改善合金的凝固特性，细化铸锭晶粒尺寸，又可在凝固后脱溶形成原位自生强化相TiB。弥散分布的原位自生硬质颗粒与基体结合牢固，可以有效改善合金的耐磨性及抗拉强度，但过量的硬质析出物，会损害合金的室温塑性及韧性，需要控制析出物的弥散度及总含量，从而达到较高的综合性能匹配，满足兵器工业部分领域对高强韧、高耐磨性钛合金的使用要求。目前，我国钛残料回收技术进步明显，可用钛残料大批量制备满足国标要求的钛制品。我国钛工业每年产生大量的TA15钛合金残料，但TA15钛合金回收料制品，目前应用极少。航空、航天用TA15钛合金在各生产环节中产生的大量残废料，只能当普通废料处理，造成极大的资源浪费。若能开发出一种新型兵器用钛合金，可以大量使用TA15钛合金残料，并满足兵器用低成本、高强韧的应用要求，即可以解决大量TA15钛合金残料回收问题，又可推动钛合金在兵器领域的大范围应用，加速我国兵工装备的升级换代进程。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种近β型高强韧钛合金。该近β型高强韧钛合金采用Al-Zr系共同强化钛合金中的α相，采用Mo-V-Cr-Fe系共同强化钛合金中的β相，增强了耦合强化效果，保证钛合金的相及性能的稳定性，并使钛合金具有良好的强韧性匹配，同时控制其Aleq为4.2～5.5，Moeq为12.5～15.0，使钛合金兼具良好的强度和韧性，既避免了Cr、Fe合金元素发生共析反应的风险，又保证了强化效果。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种近β型高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al4.0％～5.5％、Zr0.8％～1.8％、Mo3.0％～4.5％、V1.0％～2.0％、Fe1.5％～2.5％、Cr2.5％～3.5％，B不超过0.12％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述钛合金热处理后的抗拉强度为1100MPa～1350MPa，屈服强度大于1020MPa，断后延伸率A大于8％，断面收缩率Z大于16％，冲击韧性aKU大于25J/cm2，断裂韧性KIC大于60MPa·m1/2。近β钛合金Moeq(Mo当量)规定范围为11.0～16.5，对于高Moeq的近β钛合金而言，高Aleq(Al当量)虽然可以一定程度上增加钛合金的强度，但会严重损害钛合金的韧性，进而严重影响高强钛合金在结构件领域的推广应用；低Aleq合金虽然具有良好的韧性，但强度偏低，无法满足高强韧设计要求。本专利技术的近β型高强韧钛合金控制其Aleq为4.2～5.5，保证了其兼具良好的强度和韧性，同时采用Al-Zr系共同强化钛合金中的α相，与单独采用Al元素相比，具有更高效的耦合强化效果；此外，在保证Aleq不变的前提条件下，通过Zr元素取代部分Al元素，既可以抑制Ti3Al金属间化合物在长时间时效过程中的析出，损害钛合金的塑性及韧性，又可以抑制晶粒在相变温度以上加热时的过快长大，从而改善钛合金的热加工晶粒细化效率，降低其生产周期及成本。本专利技术的近β型高强韧钛合金采用Mo-V-Cr-Fe系共同强化β相。Cr、Fe是高效、低成本的慢共析型β稳定元素，通过与Mo元素联合加入，在保留Mo元素β相高效强化效果的同时，还可以有效抑制慢共析的Cr、Fe合金元素在长时间时效及使用过程中的共析反应，从而保证钛合金在使用过程中的相及性能的稳定性，并显著降低生产成本。V元素成本高、强化效果弱，但由于该元素可在β相中无限固溶，在α相中也有一定的固溶度，且无共析反应和化合物析出，基于上述特性，V元素的添加可以有效改善高强钛合金时效强化后的韧性。因此，通过适量添加V元素，在不显著增加成本的前提下，与Mo、Cr、Fe合金耦合强化，可以更高效的强化β相，并使合金具有良好的强韧性匹配。对于Ti-Al-Zr-Mo-V-Cr-Fe系钛合金，高Moeq虽然意味着良好的固溶强化效果，但过高的Moeq会减少室温下α相含量，从而减少α/β相界面，损害界面强化效果，高Moeq还会增加Cr、Fe合金元素发生共析反应的潜在风险；低Moeq则无法保证足够的固溶及时效强化效果。因此，本专利技术的近β型高强韧钛合金控制Moeq为12.5～15.0，既避免了Cr、Fe合金元素发生共析反应的风险，有保证了强化效果。本专利技术的近β型高强韧钛合金中Moeq与Aleq的计算公式为：Moeq＝1.0Mo+0.2Ta+0.4W+0.67V+1.25Cr+1.25Ni+1.7Mn+1.7Co+2.5Fe+0.28NbAleq＝1.0Al+1/3Sn+1/6Zr+10O+10C+20N上述的一种近β型高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al4.2％～5.3％，Zr1.0％～1.8％、Mo3.2％～4.5％、V1.0％～1.9％、Fe1.5％～2.5％、Cr2.5％～3.5％，B不超过0.12％，余量为Ti和不可避免的杂质。上述的一种近β型高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al5.0％，Zr1.0％、Mo3.5％、V1.4％、Fe2％、Cr3％，余量为Ti和不可避免的杂质。上述的一种近β型高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al4.5％，Zr1.8％、Mo4.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近β型高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al 4.0％～5.5％、Zr 0.8％～1.8％、Mo 3.0％～4.5％、V 1.0％～2.0％、Fe 1.5％～2.5％、Cr 2.5％～3.5％，B不超过0.12％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述钛合金热处理后的抗拉强度为1100MPa～1350MPa，屈服强度大于1020MPa，断后延伸率A大于8％，断面收缩率Z大于16％，冲击韧性aKU大于25J/cm

【技术特征摘要】
1.一种近β型高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al4.0％～5.5％、Zr0.8％～1.8％、Mo3.0％～4.5％、V1.0％～2.0％、Fe1.5％～2.5％、Cr2.5％～3.5％，B不超过0.12％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述钛合金热处理后的抗拉强度为1100MPa～1350MPa，屈服强度大于1020MPa，断后延伸率A大于8％，断面收缩率Z大于16％，冲击韧性aKU大于25J/cm2，断裂韧性KIC大于60MPa·m1/2。2.根据权利要求1所述的一种近β型高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al4.2％～5.3％，Zr1.0％～1.8％、Mo3.2％～4.5％、V1.0％～1.9％、Fe1.5％～2.5％、Cr2.5％～3.5％，B不超过0.12％，余量为Ti和不可避免的杂质。3.根据权利要求2所述的一种近β型高强韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Al5.0％，Zr1.0％、Mo3.5％、V1.4％、Fe2％、Cr3％，余量为Ti和不可避免的杂质。4.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯智敏，唐进，戴毅，邢秋丽，贠鹏飞，王兴，杨佩，谢英杰，刘华，张智，李维，吴晓东，王彦皓，王超男，康聪，华瑶，
申请(专利权)人：西部钛业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61