一种高强高韧钛合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高韧钛合金及其制备方法，在合金成分上选择添加Al、Mo、Cr、Zr、Fe和Sn合金元素，采取少量多元的合金强化策略，其中，Mo、Cr和Fe元素均能稳定β相并使合金固溶强化，同样，在加入Al元素强化α相的同时，加入中性元素Zr和Sn对α相进行强化，这样在牺牲较少塑性的情况下有效提高合金的屈服强度，该α+β钛合金的屈服强度大于1600MPa，同时兼具有5.4％的延性；更为重要的是，得益于Fe、Cr等元素的快扩散速率，锻造后空冷即可析出较为充分的α

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧钛合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及钛合金制备方法，具体为一种高强高韧钛合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有高的比强度、高的耐腐蚀性、无磁性以及优异的强塑性匹配等特点，被广泛应用在石油化工、航海、航空航天等众多国民经济领域。当前常用的结构钛合金具有较高的强度，如Ti
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1023和Ti
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5553等钛合金的屈服强度在1000～1150MPa(抗拉强度在1100～1250MPa)，这已经被用于飞机起落架和机翼等承载部位。这类钛合金的强化一般通过初生微米级α
p
颗粒和时效析出大量的纳米级次生α
s
相实现高强与高韧的匹配。
[0003]然而，随着日益严苛的服役环境，对合金的力学性能提出了更为严格的要求。高β稳定元素含量的钛合金被引入，期望提升钛合金中α和β相的强度，以协同增加合金的强韧性。例如第一个在工业中应用的是Ti
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13V
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11Cr
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3Al亚稳β钛合金，其室温拉伸强度达到1350MPa，后来又开发了可冷成型的板材钛合金Ti
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15V
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3Cr
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3A1
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3Sn以及用于弹簧和紧固件的Ti
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8V
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6Cr
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4Mo
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3A1
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4Zr等亚稳β型高强钛合金。尽管此类合金可以获得较为优异的强塑性，但通常包含大量昂贵的V元素，这显著增加了合金成本。另一方面，由于V元素的扩散速率较为缓慢，因此需要较长时间的后续热处理以析出足量的此生α
s
相，这不仅增加了能耗，而且延长了交付时间。
[0004]因此，为了进一步降低能源消耗，秉承绿色可持续发展理念以及航空航天更加轻量化的要求，开发新一代高强高韧钛合金成为亟需解决的关键问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种高强高韧钛合金及其制备方法，该钛合金的制备成本低，且能够有效提升合金的屈服强度。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0007]一种高强高韧钛合金，按重量百分比计，包括4.6～5.3％的Al，1.5～2.5％的Mo，4.5～5.5％的Cr，3.5～4.5％的Zr，0.5～1.5％的Fe，0.5～1.5％的Sn，余量为Ti及其它一些不可避免的杂质。
[0008]一种高强高韧钛合金的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、按照质量百分比，将4.6～5.3％的Al，1.5～2.5％的Mo，4.5～5.5％的Cr，3.5～4.5％的Zr，0.5～1.5％的Fe，0.5～1.5％的Sn，余量为Ti的元素混合均匀；
[0010]步骤2、在氩气气氛下，对步骤1形成的合金混合物进行多次熔炼，冷却后得到铸锭；
[0011]步骤3、将铸锭高温均质化处理；
[0012]步骤4、对步骤3得到的铸锭从单相区多道次热锻至双相区，累计锻造变形量为50～90％，锻造完成后冷却至室温；
[0013]步骤5、将热锻后的铸锭在两相区进行时效处理，得到高强态α+β双相钛合金。
[0014]优选的，步骤2中所述熔炼的方法如下：
[0015]所述熔炼过程中感应电流为450～500A，电流频率为20～25KHz，待合金混合物完全熔化后保持3～5min，冷却后得到铸锭，然后将铸锭翻面继续熔炼，熔炼次数≥7。
[0016]优选的，步骤4中单相区热锻的方法如下：
[0017]将铸锭在相变点以上30～50℃进行锻造，每锻造道次后回炉保温，保温时间2～5min。
[0018]优选的，步骤4中双相区热锻的方法如下：
[0019]每锻造道次后回炉保温，保温时间2～5min，锻造完成后冷却至室温。
[0020]优选的，所述两相区的温度为相变点以下30～50℃。
[0021]优选的，所述冷却方式为空冷。
[0022]优选的，所述时效处理的温度为450～600℃，时效时间为1.5～3h。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0024]本专利技术提供的一种高强高韧钛合金，在合金成分上选择添加Al、Mo、Cr、Zr、Fe和Sn合金元素，采取少量多元的合金强化策略，其中，Mo、Cr和Fe元素均能稳定β相并使合金固溶强化，同样，在加入Al元素强化α相的同时，加入中性元素Zr和Sn对α相进行强化，这样在牺牲较少的塑性性能的情况下有效提高合金的屈服强度，该亚稳态β钛合金的屈服强度大于1600MPa，同时兼具有5.4％的延性；更为重要的是，得益于Fe、Cr等元素的快扩散速率，锻造后空冷即可析出较为充分的α
s
相，使得合金获得高达1400MPa的屈服强度，同时保持8％的可观延伸率，而不需要任何后续热处理。
附图说明
[0025]图1为本专利技术Ti
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Al
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Mo
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Cr
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Zr
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Fe
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Sn两相α+β钛合金微观组织照片；
[0026]图2为本专利技术Ti
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Al
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Mo
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Cr
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Zr
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Fe
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Sn两相α+β钛合金TEM和TEM
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EDS微观组织照片；
[0027]图3为本专利技术Ti
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Al
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Mo
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Cr
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Zr
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Fe
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Sn两相α+β钛合金经过锻造和热处理工艺后的拉伸性能曲线。
具体实施方式
[0028]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0029]一种α+β钛合金，该合金为Ti
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Al
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Mo
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Cr
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Zr
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Fe
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Sn七元体系，各元素的重量百分比为：4.6～5.3％的Al，1.5～2.5％的Mo，4.5～5.5％的Cr，3.5～4.5％的Zr，0.5～1.5％的Fe，0.5～1.5％的Sn，余量为Ti及其它一些不可避免的杂质。
[0030]上述Ti、Al、Mo、Cr、Zr、Fe和Sn为高纯钛、高纯铝、高纯钼、高纯铬、高纯锆、高纯铁和高纯锡。
[0031]本专利技术提供的一种α+β钛合金，在合金成分上选择添加Al、Mo、Cr、Zr、Fe和Sn合金元素，采取少量多元的合金强化策略，其中，Mo、Cr和Fe元素均能稳定β相并使合金固溶强化，同样，在加入Al元素强化α相的同时，加入中性元素Zr和Sn对α相进行强化，这样在牺牲较少的塑性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧钛合金，其特征在于，按重量百分比计，包括4.6～5.3％的Al，1.5～2.5％的Mo，4.5～5.5％的Cr，3.5～4.5％的Zr，0.5～1.5％的Fe，0.5～1.5％的Sn，余量为Ti及其它一些不可避免的杂质。2.一种高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、按照质量百分比，将4.6～5.3％的Al，1.5～2.5％的Mo，4.5～5.5％的Cr，3.5～4.5％的Zr，0.5～1.5％的Fe，0.5～1.5％的Sn，余量为Ti的元素混合均匀；步骤2、在氩气气氛下，对步骤1形成的合金混合物进行多次熔炼，冷却后得到铸锭；步骤3、将铸锭高温均质化处理；步骤4、对步骤3得到的铸锭从单相区多道次热锻至双相区，累计锻造变形量为50～90％，锻造完成后冷却至室温；步骤5、将热锻后的铸锭在两相区进行时效处理，得到高强态α+β双相钛合金。3.根据权利要求2所述的一种高强高韧钛合金的制备方法，其特征在于，步骤2中所述熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金钰，张崇乐，刘刚，孙军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：