一种超高强高塑性Ti-Al-Mo-Zr-Sn-Cr-Fe钛合金及其制备方法技术

技术编号：41345300 阅读：5 留言：0更新日期：2024-05-20 10:01

本发明专利技术公开一种超高强高塑性Ti‑Al‑Mo‑Zr‑Sn‑Cr‑Fe钛合金及其制备方法，该合金按重量百分比，包括5.0～7.0％Al，3.0～5.0％Mo，3.0～5.0％Zr，1.5～2.5％Sn，1.5～3.5％Cr，1.0～3.0％Fe，0.07～0.10％O，还包括杂质，杂质含量按重量百分比控制在，C≤0.01％，Si≤0.01％，N≤0.003％，H≤0.007％，Hf≤0.05％。其制备方法包括以下步骤：按照不同成分元素的配比，称取原料后进行充分的混合；将混合均匀的原料进行电极块压制、焊接，制成自耗电极，进行三次真空自耗电弧炉熔炼；将所得钛合金铸锭进行锻造、轧制及固溶时效处理，得到超高强高塑性钛合金。本发明专利技术可获得具备高强度高塑性的超高强高塑性钛合金，其抗拉强度可达到1500MPa以上，延伸率可达16％以上，断面收缩率可达40％以上。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高性能合金材料，具体涉及一种超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金及其制备方法。

技术介绍

1、高强钛合金一般指抗拉强度＞1100mpa的钛合金，在具备高强度的同时还具备良好的塑性、韧性和耐蚀性等优点，是航空航天领域中主要结构材料之一。目前高强钛合金常用的合金化方案是添加大量的mo、v、cr、fe等β稳定元素，如ti-15v-3cr-3a1-3sn(tb5)、ti-10v-2fe-3al(tb6)、ti-32mo(tb7)，ti-5mo-5v-2cr-3a1(tb10)，在这些钛合金中，tb10钛合金在1100～1200mpa时有较好塑性，但进一步提高强度则会造成塑性的损失；tb7钛合金强度在800～1000mpa时，延伸率最高可达10％，在热处理强化作用下其强度可达到1300～1400mpa，但塑性几乎消失；即便是目前新型ti-5553钛合金，其强度在1000～1058mpa时，伸长率可达16％以上，当其强度＞1300mpa时，延伸率＜6％，塑性严重丧失。

2、随着轻量化、高可靠性和长寿命等设计思想的提出，新一代飞机对高强和高塑性结构件的需求越发迫切，这要求钛合金需要在具备更高强度的同时还要匹配良好的塑性。从现有钛合金的性能可知，通常高强钛合金提高其强度，必然会带来塑性韧性的损失。某些紧固件需要1500mpa甚至更高的强度指标，而现有钛合金的屈服强度一般低于1300mpa，且随着强度的提升塑性会明显下降，严重限制了结构用钛合金在紧固件等高强高塑服役条件下的应用。

<p>技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提供一种超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金及其制备方法，可获得具备高强度高塑性的超高强高塑性钛合金，其抗拉强度可达到1500mpa以上，延伸率可达16％以上，断面收缩率可达40％以上。

2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：

3、一种超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金，按重量百分比，包括5.0～7.0％al，3.0～5.0％mo，3.0～5.0％zr，1.5～2.5％sn，1.5～3.5％cr，1.0～3.0％fe，0.07～0.10％o，还包括杂质，杂质含量按重量百分比控制在，c≤0.01％，si≤0.01％，n≤0.003％，h≤0.007％，hf≤0.05％。

4、超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金的制备方法，包括以下步骤：

5、s1，按照不同成分元素的配比，称取原料后进行充分的混合；

6、s2，将混合均匀的原料进行电极块压制、焊接，制成自耗电极，进行三次真空自耗电弧炉熔炼；

7、s3，将所得钛合金铸锭进行锻造、轧制及固溶时效处理，得到超高强高塑性钛合金。

8、优选的，所述s1中，钛元素以海绵钛方式引入，锆元素以海绵锆方式引入，其他元素以中间合金方式引入，其中，海绵锆为低hf海绵锆和工业级海绵锆搭配使用，低hf海绵锆的hf＜0.5％，低hf海绵锆占海绵锆总重20％～50％。

9、优选的，所述s2中，三次真空自耗电弧炉熔炼包括以下步骤：

10、s201，先进行二次var熔炼；

11、s202，将由二次var熔炼获得的自耗电极装入强冷却坩埚，并放置于var炉熔化站中进行封炉抽空；

12、s203，熔炼过程中，在已熔自耗电极与坩埚的间隙内采用压力控制方式冲入气体，熔炼电压24～34v，熔炼电流8～16ka，稳弧电流10～20a交流；

13、s204，当自耗电极剩余重量为70～250kg时开始补缩，并采用流量控制方式冲入气体，熔炼结束后仍通过冲入气体的方式进行冷却，之后将自耗电极进行正常冷却，出炉，最终得到钛合金铸锭。

14、优选的，所述s4中，锻造工艺包括：将钛合金铸锭修整后，在1080～1200℃的开坯温度进行开坯锻造，保温时间90min，变形量≥30％；然后进行高温锻造+两相区锻造循环锻造，高温锻造温度为920～1000℃，变形量≥30％，两相区锻造温度为830～860℃，变形量≥20％；循环锻造后，在820～870℃温度下进行多火次直拔，得到锻后坯料。

15、优选的，所述s4中，轧制工艺为：在相变点以下50～130℃进行多道次热轧，变形量71％～88％，得到热轧后坯料。

16、优选的，所述s4中，固溶时效处理工艺为：在820～880℃固溶2h后水淬至室温，在510～620℃时效4～8h后空冷，得到超高强高塑性钛合金。

17、优选的，所述s4中，超高强高塑性钛合金抗拉强度可达到1500mpa以上，延伸率可达16％以上，断面收缩率可达40％以上。

18、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：

19、(1)本专利技术提供的一种超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金，该合金包括5.0～7.0％al，3.0～5.0％mo，3.0～5.0％zr，1.5～2.5％sn，1.5～3.5％cr，1.0～3.0％fe，0.07～0.10％o，以及极少量杂质，c≤0.01％，si≤0.01％，n≤0.003％，h≤0.007％，hf≤0.05％。该合金中选用的多种β相稳定元素，可有效提高钛合金的强度，同时严格控制配入的o含量和c、h、n、hf等杂质元素含量，确保该合金的塑性。

20、(2)本专利技术提供的一种超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金的制备方法，包含3～5％的zr，采用低hf海绵锆+工业级海绵锆搭配使用，可有效控制合金中的杂质元素＜0.1％。

21、(3)本专利技术提供的一种超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金的其制备方法，该合金通过混料、电极块压制、焊接，并采用真空自耗电弧炉逐次进行不同规格的三次熔炼，可以获得高均匀性、晶粒细化的全柱状晶，经920～1000℃的高温锻造与830℃～860℃的两相区循环锻造，并在820～870℃温度下多火次直拔，再经相变点以下50～130℃进行多道次热轧，于820～880℃固溶2h后水淬至室温，在510～620℃时效4～8h后空冷，可获得具备高强度高塑性的超高强高塑性钛合金，其抗拉强度可达到1500mpa以上，延伸率可达16％以上，断面收缩率可达40％以上，满足某些紧固件要求强度1500mpa甚至更高的强度指标，实现了合金强塑性的良好匹配。

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【技术保护点】

1.一种超高强高塑性Ti-Al-Mo-Zr-Sn-Cr-Fe钛合金，其特征在于，按重量百分比，包括5.0～7.0％Al，3.0～5.0％Mo，3.0～5.0％Zr，1.5～2.5％Sn，1.5～3.5％Cr，1.0～3.0％Fe，0.07～0.10％O，还包括杂质，杂质含量按重量百分比控制在，C≤0.01％，Si≤0.01％，N≤0.003％，H≤0.007％，Hf≤0.05％。

2.根据权利要求1所述的超高强高塑性Ti-Al-Mo-Zr-Sn-Cr-Fe钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的超高强高塑性Ti-Al-Mo-Zr-Sn-Cr-Fe钛合金的制备方法，其特征在于，所述S1中，钛元素以海绵钛方式引入，锆元素以海绵锆方式引入，其他元素以中间合金方式引入，其中，海绵锆为低Hf海绵锆和工业级海绵锆搭配使用，低Hf海绵锆的Hf＜0.5％，低Hf海绵锆占海绵锆总重20％～50％。

4.根据权利要求2所述的超高强高塑性Ti-Al-Mo-Zr-Sn-Cr-Fe钛合金的制备方法，其特征在于，所述S2中，三次真空自耗电弧炉熔炼包括以下步骤：

5.根据权利要求2所述的超高强高塑性Ti-Al-Mo-Zr-Sn-Cr-Fe钛合金的制备方法，其特征在于，所述S3中，锻造工艺包括：将钛合金铸锭修整后，在1080～1200℃的开坯温度进行开坯锻造，保温时间90min，变形量≥30％；然后进行高温锻造+两相区锻造循环锻造，高温锻造温度为920～1000℃，变形量≥30％，两相区锻造温度为830～860℃，变形量≥20％；循环锻造后，在820～870℃温度下进行多火次直拔，得到锻后坯料。

6.根据权利要求2所述的超高强高塑性Ti-Al-Mo-Zr-Sn-Cr-Fe钛合金的制备方法，其特征在于，所述S3中，轧制工艺为：在相变点以下50～130℃进行多道次热轧，变形量71％～88％，得到热轧后坯料。

7.根据权利要求2所述的超高强高塑性Ti-Al-Mo-Zr-Sn-Cr-Fe钛合金的制备方法，其特征在于，所述S3中，固溶时效处理工艺为：在820～880℃固溶2h后水淬至室温，在510～620℃时效4～8h后空冷，得到超高强高塑性钛合金。

8.根据权利要求2所述的超高强高塑性Ti-Al-Mo-Zr-Sn-Cr-Fe钛合金的制备方法，其特征在于，所述S3中，超高强高塑性钛合金抗拉强度可达到1500MPa以上，延伸率可达16％以上，断面收缩率可达40％以上。

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【技术特征摘要】

1.一种超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金，其特征在于，按重量百分比，包括5.0～7.0％al，3.0～5.0％mo，3.0～5.0％zr，1.5～2.5％sn，1.5～3.5％cr，1.0～3.0％fe，0.07～0.10％o，还包括杂质，杂质含量按重量百分比控制在，c≤0.01％，si≤0.01％，n≤0.003％，h≤0.007％，hf≤0.05％。

2.根据权利要求1所述的超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金的制备方法，其特征在于，所述s1中，钛元素以海绵钛方式引入，锆元素以海绵锆方式引入，其他元素以中间合金方式引入，其中，海绵锆为低hf海绵锆和工业级海绵锆搭配使用，低hf海绵锆的hf＜0.5％，低hf海绵锆占海绵锆总重20％～50％。

4.根据权利要求2所述的超高强高塑性ti-al-mo-zr-sn-cr-fe钛合金的制备方法，其特征在于，所述s2中，三次真空自耗电弧炉熔炼包括以下步骤：

5.根据权利要求2所述的超高强高塑性ti-al-mo-zr-s...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘向宏，何涛，封媛嘉，柯浩鹏，付杰，尚金金，王凯旋，和永岗，杜予晅，冯勇，
申请(专利权)人：西部超导材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：

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