[发明专利]一种高强高韧近Beta型钛合金材料及其制备与棒材加工方法

说明书

技术领域

本发明属于合金材料方法技术领域，特别涉及一种高强高韧近Beta型钛合金材料及其制备与棒材加工方法。

背景技术

钛及钛合金由于比强度高，可以减轻飞机重量、提高推重比和飞机结构效益，因此作为结构材料广泛应用于航空航天工业中。随着航空航天工业的蓬勃发展，大型钛合金结构件得到了广泛应用，对该合金的强度、塑性和韧性提出了新的需求。

Ti-1023合金是由美国Timet公司于1971年研制开发，1972年申请专利，其专利号：3802877，名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al，是应用最为广泛的一种高强高韧近β型钛合金。实验表明：经热处理强化该合金抗拉强度可达到(965～1310)MPa，断裂韧性可达到(35～90)MPa·m^1/2，有较好的强度、塑性和韧性匹配关系。Ti-1023合金含有2%Fe元素，在熔炼时易因成分偏析产生“β斑点”，使合金组织不均匀，降低塑性。另外，Ti-1023合金对热处理极为敏感，比如：降低时效温度，将产生脆性ω相，使力学性能有较大波动。VT22合金是前苏联航空材料研究院于20世纪70年代研制开发的一种高合金化、高强度近β型钛合金，名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。实验表明：退火状态下，VT22合金强度可达到1080MPa，在所有钛合金中退火强度最高；经热处理强化该合金强度可达到(1100～1300)MPa，但未发现更好的工艺制度使VT22合金强度进一步提高。与Ti-1023合金相比，VT22合金Fe和V元素含量减少，通过添加Mo和Cr元素来提高合金淬透性，稳定β相。VST5553合金是俄罗斯以VT22合金为基础上，减少Fe元素含量，提高Cr元素含量而研制开发的一种新型高强高韧亚稳β型钛合金，名义成分Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe。与Ti-1023和VT22合金对比，Ti-5553合金Fe含量较少，使合金偏析敏感度降低，但不降低强度，其强度高出Ti-1023合金约15%。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种高强高韧近Beta型钛合金材料及其制备与棒材加工方法。

一种高强高韧近Beta型钛合金材料，所述钛合金具体为Ti-Al-Fe-V-Mo合金，其中各成分及其重量百分数为Al：2.5%～3.5%，Fe：0.85%～2.15%，V：3.5%～8.1%，Mo：1.0%～7.5%，O≤0.2%，其余成分为Ti；且上述各成分需满足：Mo当量[Mo]_eq=（Mo的质量分数+0.67×V的质量分数+2.9×Fe的质量分数）×100=12.3～12.7，且V、F的质量分数比为3.5～4.1，Mo、Fe、V的总质量分数不大于12%；所述钛合金的抗拉强度不低于1200MPa，延伸率不低于10%，断裂韧性不低于50MPa·m^1/2。

一种高强高韧近Beta型钛合金材料的制备方法，所述钛合金材料是由市售的海绵钛、Al、Al-Mo合金和Fe-V合金为原料，利用真空自耗熔炼、凝壳炉熔炼、等离子束熔炼、电子束熔炼、悬浮炉熔炼中的一种或多种熔炼方法熔炼制备得到。

上述的熔炼方法均为常规的熔炼方法。

一种高强高韧近Beta型钛合金材料的制备方法，其具体方法如下：

按照权利要求1所述的用料及配比，利用市售的海绵钛、Al、Al-Mo合金和Fe-V合金为原料，压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼，制成Ti-Al-Fe-V-Mo合金铸锭。

一种高强高韧近Beta型钛合金材料的棒材加工方法，其具体方法如下：

将所述钛合金材料在950℃～1050℃开坯，变形量达到50%以上，经过多次降温至750℃～820℃镦粗拔长，累积变形量达到80%以上，制成所需规格的棒材；然后按照国标GB/T228.1-2010中R7试样进行室温拉伸力学性能测试、按照国标GB4161-2007进行平面应变断裂韧性K_IC测试。

进行所述多次降温时，每次降温幅度为50℃～100℃。

将所制得的棒材沿长度L方向取国标GB/T228.1-2010中R7(试样标距直径d=5mm)拉伸试样和紧凑拉伸试样(试样厚度B=25mm)。在相变点以下20℃～40℃固溶1小时，550℃时效8小时或者600℃时效2小时，测定合金强度、塑性和韧性。

表1合金成分（重量百分比，wt%）

本发明的有益效果为：