一种五元系损伤容限中强钛合金制造技术

本发明专利技术公开了一种五元系损伤容限中强钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.6％～6.9％，Zr 2.5％～3.5％，Mo 2.5％～3.5％，Nb 2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质。本发明专利技术通过对钛合金中各组分及含量的设计，提高了钛合金的室温和高温强度和塑性性能，增强了钛合金的抗高温氧化性，以及耐酸、耐盐腐蚀性能，该钛合金综合性能优于其它损伤容限钛合金，且不含有对人体有害的V元素，提高了使用安全性，广泛应用于电力工业、海洋环境和生物医疗领域。

【技术实现步骤摘要】
一种五元系损伤容限中强钛合金
本专利技术属于钛合金材料
，具体涉及一种五元系损伤容限中强钛合金。
技术介绍
目前世界上用量最大的钛合金是20世纪50年代美国率先研发的Ti-6Al-4V钛合金(美国牌号为Gr.5)，占到整个钛合金用量的50％以上。但该主力钛合金含有对人体有害的元素钒。因此，需要开发新型的不含易氧化元素和对人体有害元素且要求制备及力学性能与美国Ti-6Al-4V(ELI)合金相当的钛合金。损伤容限设计(damagetolerancedesign)上为了保证含裂纹或可能含裂纹的重要构件的安全，国际上从20世纪70年代开始发展并逐步应用一种现代疲劳断裂控制方法。这种方法的思路是：假定构件中存在着裂纹(依据无损伤能力、使用经验等假定其初始尺寸)，用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。用损伤容限设计理念设计的钛合金被称为损伤容限钛合金，如源自美国的Ti-6Al-4VELI(β退火态，中强)，源自前苏联的低间隙的BT20(即我国的TA15ELI，中强)，源自美国的Ti-62DT(Ti-6-22-22S)以及前苏联的BT9(即中国的TC11，高强)等钛合金。我国自20世纪90年代起意识到损伤容限理念在钛合金设计中的重要性、并于21世纪初系统地开始该类研究工作。在中强钛合金设计中参考了国外现有成果，设计了TC4ELI合金，TA15ELI合金及TC4-DT钛合金。在高强钛合金设计中，参考Ti-6-22-22S钛合金，设计了TC21钛合金。TC4-DT钛合金的主要成分为Ti-6Al-4V，杂质成分要求介于TC4与TC4ELI之间。TC4-DT的研究难题为：既要达到TC4的强度，又要接近Ti-6Al-4VELI的韧性。TC4-ELI(美国牌号Gr.23)为超低间隙的Ti-6Al-4V合金。TA15ELI钛合金仿制前苏联的BT20钛合金，名义成分为：Ti-6Al-2V-1Mo-1Zr。从力学性能考察，Ti-6Al-4VELI厚板在β热处理后室温抗拉强度小于900MPa、屈服强度不超过800MPa；TA15ELI钛合金厚板经两相区退火或β退火后损伤容限性能与AMS4905C规定的Ti-6Al-4VELI性能相当。以上钛合金的研究难题均为合金成分的实际控制，主要是杂质元素的控制。同时上述钛合金均含有对人体不利及抗氧化性差的钒元素。因此，如何获得在满足损伤容限力学性能的基础上又满足医学良好生物相容性的钛合金非常必要。
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，提供一种五元系损伤容限中强钛合金。该钛合金通过对钛合金中各组分及含量的设计，提高了钛合金的室温和高温强度和塑性性能，增强了钛合金的抗高温氧化性，以及耐酸、耐盐腐蚀性能，该钛合金综合性能优于其它损伤容限钛合金，且不含有对人体有害的V元素，提高了使用安全性，广泛应用于电力工业、海洋环境和生物医疗领域。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al5.6％～6.9％，Zr2.5％～3.5％，Mo2.5％～3.5％，Nb2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质；所述钛合金在退火状态下的室温抗拉强度为900MPa～1000MPa，室温断裂韧性KIC≥70MPa·m1/2，当应力比R＝0.1且应力强度因子ΔK＝11MPa·m1/2时，室温疲劳裂纹扩展速率da/dN≤3.5×10-5mm/周，所述钛合金400℃的抗拉强度在620MPa以上，500℃抗拉强度不低于540MPa。首先，本专利技术的五元系损伤容限中强钛合金由Ti-Al-Zr-Mo-Nb合金系组成(缩写为TX4钛合金)，该TX4钛合金以钛为主体元素，以α相稳定元素铝、中性元素锆、β相稳定元素钼和铌为合金元素，其中，α相稳定元素铝显著提高了TX4钛合金的(α+β)-β相变温度，从而显著提高了α相与β相的室温和高温强度，提高TX4钛合金的抗高温氧化性，降低了TX4钛合金的塑性和韧性；β相稳定元素钼和铌降低了(α+β)-β相变温度，钼的加入提高了TX4钛合金室温强度并降低塑性，但对TX4钛合金的高温强度的影响复杂，当钼的加入量较高时会引起持久及蠕变性能下降，而铌在提高TX4钛合金室温和高温强度的同时，对其塑性及韧性影响不大，且作用较温和，因此，TX4钛合金的组成扩大了热加工窗口，增加了TX4钛合金的可热处理性，且铝、锆、钼、铌与钛原子形成固溶体时产生点阵畸变，从而提高了α相与β相的强度，进而提高了TX4钛合金的抗高温氧化性和耐酸、耐盐腐蚀性，同时，铌具通过“润滑”钛合金中其他稳定元素，避免了其它稳定元素造成的塑性及韧性的下降；中性元素锆在α相与β相中均可形成无限固溶体，在钛合金冷却过程中，抑制β相向α'马氏体相的转变，提高了钛合金的热强性且不降低其室温塑性。其次，本专利技术五元系损伤容限中强钛合金成分组成的核心设计思想为：最小结构单元均匀法则。首先考虑能够同时满足α相与β相的最小结构单元的原子占位及具有较高三维空间对称性的级别较高的取值点，根据“损伤容限”的应用要求结合三种设计思路即“平均占位”思路(合金原子是随机平均占据点阵位置)，“择优占位”思路(铝原子优先占据α相的hcp晶胞钛点阵位置，钼原子、铌原子及锆原子优先占据β相的bcc晶胞钛点阵位置)和“逆反占位或非标准占位”思路(特殊情况下，铝原子也可以占据β相的bcc晶胞钛点阵位置，钼原子、铌原子及锆原子也可以占据α相的hcp晶胞钛点阵位置)，得到钛合金各组分的的原子百分比为：Ti-(1/9)Al-(1/64)Zr-(1/64)Mo-(1/64)N，换算成质量百分含量为：Ti-6.28Al-2.99Zr-3.14Mo-3.04Nb，即本专利技术五元系损伤容限中强钛合金的质量名义成分。本专利技术的TX4钛合金中(1/9)Al可由3个hcp晶胞描述(共18个原子)，(1/64)Zr、(1/64)Mo及(1/64)Nb各由8个bcc晶胞描述(共16个原子)，钛合金中所有合金元素组合在一起，共由144个原子描述，即本专利技术钛合金的最小结构单元含有144个原子。当本专利技术钛合金理论上全部由α相组成时，其最小结构单元由24个hcp晶胞组成，在相变点以上时，该钛合金全部由β相组成，其最小结构单元由72个bcc晶胞组成，即24个hcp晶胞与72个bcc晶胞完成相变过程。因此，在本专利技术的钛合金质量名义成分为Ti-6.28Al-2.99Zr-3.14Mo-3.04Nb的基础上，具体考虑在钛合金熔炼过程中铝元素易挥发、而锆元素、钼元素及铌元素相对稳定的因素，本专利技术的钛合金组成及质量百分含量为：Al5.6％～6.9％，Zr2.5％～3.5％，Mo2.5％～3.5％，Nb2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质。综上所述，本专利技术的五元系损伤容限中强钛合金通过对各组分及含量的设计，提高了钛合金的室温和高温强度和塑性性能，增强了钛合金的抗高温氧化性，以及耐酸、耐盐腐蚀性能，因此，本专利技术的钛合金可广泛应用于电力工业、海洋环境和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al5.6％～6.9％，Zr 2.5％～3.5％，Mo 2.5％～3.5％，Nb 2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质；所述钛合金在退火状态下的室温抗拉强度为900MPa～1000MPa，室温断裂韧性K

【技术特征摘要】
1.一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al5.6％～6.9％，Zr2.5％～3.5％，Mo2.5％～3.5％，Nb2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质；所述钛合金在退火状态下的室温抗拉强度为900MPa～1000MPa，室温断裂韧性KIC≥70MPa·m1/2，当应力比R＝0.1且应力强度因子ΔK＝11MPa·m1/2时，室温疲劳裂纹扩展速率da/dN≤3.5×10-5mm/cycle，所述钛合金400℃的抗拉强度在620MPa以上，500℃抗拉强度不低于540MPa。


2.根据权利要求1所述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al6.7％，Zr2.82％，Mo3.01％，Nb3.05％，余量为钛和不可避免的杂质。


3.根据权利要求1所述的一种五元系损伤容限中强钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲恒磊，赵永庆，邓超，康彦，庞继明，马小菊，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61