一种优异强度塑性匹配的Ti-Al-V-Zr-Mo系钛合金及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种优异强度塑性匹配的Ti

【技术实现步骤摘要】
一种优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金及制备方法


[0001]本专利技术涉及金属材料
，具体为一种优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金及制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金因其优越的机械性能，例如高比强度、高损伤容限和优异的抗疲劳性能等，被广泛应用于航空航天、兵器和船舶等先进的高性能工程领域。而传统双相钛合金(如TC4合金)的有限屈服强度(通常小于1100MPa)是设计先进轻质材料的主要瓶颈之一。尽管已经致力于通过O/Fe掺杂来提高TC4合金的屈服强度，但其屈服强度仍然小于1250MPa。此外，大多数高强钛合金(屈服强度>1300MPa)往往表现出有限的延展性，这使得合金难以成型，并且在服役过程中容易发生灾难性失效。然而，随着日益严苛的服役环境，对高强度钛合金提出了更高的机械性能需求。
[0003]通过化学成分设计来调控钛合金的相稳定性是一种切实可行且有效改善材料力学性能的策略。同时，工业纯钛向钛合金的应用演变也证明合金化元素对钛合金体系机械性能的重要影响。而合金元素的合理选择对于后续的组织研究和性能评价具有重要意义。例如，在钛合金中添加高含量的β稳定元素Mo来强化β相，而Mo元素熔点较高，过多添加时往往导致加工制造能耗较大，且易引起成分偏析使得合金成分和组织均匀性控制困难。Mantri等人利用ω相辅助形核制备β
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21S(Ti
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15Mo
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3Nb
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2.7Al
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0.2Si)其屈服强度约为1600MPa，总延伸率约为4.3％，但其诱发ω相形核的热处理时间达150h以上，生产成本高，生产制备时间较长不适合工业应用。此外，一些成功商业应用的钛合金(如Ti
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5553和TB10等)在1150～1300MPa级别具有优异的强度和塑性匹配，但是随着强度上升，塑性显著下降，这使得难以应用在更高强度的服役环境。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中高强钛合金提高屈服强度的同时难以保持良好的塑性的问题，本专利技术提供一种优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金及制备方法，具有强烈的固溶强化，随后经过锻造和热处理，有效细化β晶粒并且获得高密度的次生α析出相进一步有效强化合金，实现了合金强
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塑性的良好匹配。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金，按质量百分数计，包括4.1％～7.1％的Al，9.6％～13.6％的V，0.5％～2.1％的Zr，4.0％～7.0％的Mo，总量小于0.35％的O和N间隙溶质，余量为Ti和不可避免的其它杂质。
[0007]优选的，所述Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金显微组织中均匀分布着微米尺度的近球形初生α相，纳米尺度的呈三角形变体的次生α相以及残余的纳米尺度的β基体。
[0008]优选的，所述Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金的屈服强度σ
y
＝1377MPa～1542MPa，抗拉强
度σ
UTS
＝1455MPa～1604MPa，断裂延伸率ε＝4.7％～10.2％。
[0009]一种优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金的制备方法，包括以下过程：
[0010]步骤1、根据各原料的质量百分比制备母合金铸锭；
[0011]步骤2、对母合金铸锭进行开坯锻造和高温跨β相区锻造；
[0012]步骤3、将锻造后的铸锭在两相区进行固溶和时效处理，两相区时效处理的温度为500～575℃，时效处理120min后水淬至室温，得到Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金。
[0013]优选的，步骤1中采用熔炼方法制备母合金铸锭；
[0014]熔炼过程中通入氩气，感应电流为400～460A，电流频率为20～25kHz，待合金完全熔化后继续保持3～5min后冷却，反复熔炼多次得到母合金铸锭。
[0015]优选的，步骤2中开坯锻造的开坯温度为1050～1150℃，保温时间为90min，变形量≥60％。
[0016]优选的，所述跨β相区锻造的温度为860～940℃，变形量≥55％。
[0017]优选的，步骤3中所述两相区的固溶处理的温度为800～835℃，固溶处理60min后水淬至室温，然后进行时效处理。
[0018]优选的，对步骤1的母合金铸锭进行均匀化处理，然后进行开坯锻造。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0020]本专利技术提供的一种优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金，钛合金中添加Al元素有利于强化α相，同时缓解钛合金对间隙元素(O、N)的敏感性，固溶元素Al和微量的间隙元素O和N可以提供显著的固溶强化效果，使晶格摩擦力大幅度提升。再加入中性元素Zr对α相进行复合强化，可以提高α相内位错滑移临界分切应力，从而提高合金的整体强度。其次，Mo和V元素的添加不仅有利于细化β晶粒尺寸产生显著的晶界强化，而且有利于强化β相，进一步提高合金的机械性能。同时利用热处理析出高密度的次生α相，产生的α/β界面可以有效降低该合金中位错平均自由滑移路径，从而使得该合金具有超高的强度。该钛合金的屈服强度σ
y
＝1377MPa～1542MPa，抗拉强度σ
UTS
＝1455MPa～1604MPa，断裂延伸率ε＝4.7％～10.2％，因此该钛合金具有良好的综合力学性能。
[0021]该Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金的制备方法，在跨β相区锻造过程中，一方面，可以发生动态再结晶使β晶粒细化，避免了合金中形成连续的沿晶界α相。另一方面，残留的位错为后续热处理过程中次生α相的析出提供了丰富的潜在形核点，同时析出的α相发生连续破碎和再结晶，以实现α相细化；然后在固溶处理过程中，通过静态回复和再结晶优化初生α相和β晶粒的尺寸和分布。此外，在晶界位置的初生α相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金，其特征在于，按质量百分数计，包括4.1％～7.1％的Al，9.6％～13.6％的V，0.5％～2.1％的Zr，4.0％～7.0％的Mo，总量小于0.35％的O和N间隙溶质，余量为Ti和不可避免的其它杂质。2.根据权利要求1所述的一种优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金，其特征在于，所述Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金显微组织中均匀分布着微米尺度的近球形初生α相，纳米尺度的呈三角形变体的次生α相以及残余的纳米尺度的β基体。3.根据权利要求1所述的一种优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金，其特征在于，所述Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金的屈服强度σ
y
＝1377MPa～1542MPa，抗拉强度σ
UTS
＝1455MPa～1604MPa，断裂延伸率ε＝4.7％～10.2％。4.一种权利要求1
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3任一项所述的优异强度塑性匹配的Ti
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Al
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V
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Zr
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Mo系钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下过程：步骤1、根据各原料的质量百分比制备母合金铸锭；步骤2、对母合金铸锭进行开坯锻造和高温跨β相区锻造；步骤3、将锻造后的铸锭在两相区进行固溶和时效...

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