[发明专利]一种高强高韧β型钛合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强高韧β型钛合金及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、良好的高低温性能和生物兼容性等特点，因此作为理想的结构材料和功能材料被大量应用于航空航天、舰船制造、石油化工、海洋工程、生物医学和建筑装饰等领域，且获得了良好的经济和社会效益。由于钛合金作为轻质结构材料，可以降低飞机自重、提高结构效益，因此航空工业是最早研制和应用钛合金的领域。随着航空工业对低密度、高强度材料的需求日益迫切，高强高韧钛合金应运而生，逐渐取代某些部位上的钢铁、铝合金等材料，成为宇航工业中大型结构件的理想材料。

Ti-1023合金是由美国Timet公司于1971年研制开发，并于1972年申请专利，其专利号：US3802877A，名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al，是迄今为止应用最为广泛的一种高强高韧近β型钛合金。Ti-1023合金经热处理强化其抗拉强度可达到965-1310MPa，断裂韧性可达到35-90MPa·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”，使合金组织不均匀，降低塑性及疲劳性能。另外，Ti-1023合金的力学性能对显微组织及其热处理极为敏感，时效温度低于500℃时，极易产生脆性ω相而使合金的塑性急剧下降。

BT22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。BT22合金在退火状态下，强度可达到1080MPa，经热处理强化该合金强度可达到1100～1300MPa，但很难进一步提高其强度。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

本发明的目的在于提供一种高强高韧β型钛合金，该合金的强度、塑性和韧性能够达到良好匹配。

本发明的另一目的在于提供一种所述高强高韧β型钛合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高强高韧β型钛合金，该合金为Ti-Al-Fe-V-Cr-Zr系合金，其中各组分的重量百分比为Al：2.5-3.5％、Fe：0.85-1.35％、V：3.5-5.1％、Cr：1.0-7.5％、Zr：0.75-1.5％、O＜0.2％。

优选地，所述各组分的重量百分比满足：钼当量[Mo]eq＝0.67V+2.9Fe+1.6Cr＝12-13.5，且V/Fe＝3.6-5.1，Cr/Fe＝3-6，Fe+V+Cr+Zr＜12％。

一种所述高强高韧β型钛合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用钛、锆、铝、Fe-Cr中间合金、Fe-V中间合金为原料，按照各成分的重量百分比进行配料，熔炼，制成Ti-Al-Fe-V-Cr-Zr合金铸锭；

(2)合金铸锭在950℃-1050℃开坯，变形量60％，经过多次降温至750℃-820℃镦粗拔长，累积变形量80％，制成棒材；

(3)将棒材在合金相变点以下20℃-40℃固溶1小时空冷后，550℃-600℃时效6-8小时。

其中，所述熔炼可以采用真空自耗熔炼、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组合。

优选地，所述步骤(1)中的熔炼为将原料压制成自耗电极，经过二次真空自耗电弧炉熔炼。

本发明的优点在于：

(1)本发明根据钼当量对合金性能影响，设计了一种近β型钛合金，以应用技术成熟的合金系为基础研制开发新的合金，有助于提高合金应用前景。

(2)本发明在合金成分上选择添加Al、Fe、V、Cr和Zr元素，并且用Cr元素替代少量Fe和V元素，抑制β斑点的产生，并且以中间合金作为原料来降低合金成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1