[发明专利]一种高强度高弹性耐热钛合金及制备方法

说明书

本发明涉及一种高强度高弹性耐热钛合金及制备方法，所述合金的组份为Ti‑Nb‑Zr‑V‑O，各元素重量百分比为：wt％Nb＝35wt％‑1.5wt％V，式中wt％Nb和wt％V分别表示Nb、V元素的重量百分比；V：0wt％＜V≤4.0wt％；Zr：1.8～2.2wt％；O：0.29～0.31wt％，余量为Ti。合金制备的具体步骤是：采用真空非自耗电弧炉熔炼获得成分均匀的合金铸锭，经热锻成棒材后在900～1000℃固溶处理，水冷至室温；随后冷轧变形加工，变形量为80～90％；最后进行时效热处理，其加热温度为490℃～510℃，保温时间为8～10h。本发明钛合金具有高强度和较低弹性模量，弹性变形能力(屈服强度与弹性模量比值)优于现有各种高弹性β钛合金，十分适合制作航空航天和机械等领域的轻质耐热高弹性部件。

技术领域

本发明涉及一种高强度高弹性耐热钛合金及制备方法，属于钛合金材料设计及制备技术领域。

背景技术

近年来，高超声速飞行器是我国航天航空领域的研究热点之一，这类飞行速度超过5倍音速的飞行器有着巨大的军事价值和潜在经济价值。在高超声速飞行器发展过程中，用于可变形机翼的轻质、耐热和高弹性材料的研发是一大难点，这是因为该类飞行器在飞行过程中，由于气动热载荷效应，其机翼前缘温度高达400～500℃，机翼材料必须耐热；另一方面，为减轻重量、简化驱动机构以及尽可能增大升阻比，高超声速飞行器需通过柔性翼肋机构，实现机翼前、后缘连续变弯，以改变翼形和攻角，从而获得最佳的气动特性，也即为保证高超声速飞行器正常工作，其机翼前、后缘材料不仅需要较好的耐热性，还要具有较高的弹性变形能力。

弹性材料的主要特征参数为柔韧性指数，其值可用屈服强度σ_0.2与弹性模量E的比值(σ_0.2/E)来表示，σ_0.2/E越大，弹性变形能力越强。经高温时效后的合金在温度循环变化时(不高于时效温度)，其显微组织不发生变化，因此，可通过时效温度的高低及该温度下时效后合金的σ_0.2/E值来衡量其是否满足高弹性及耐热的性能要求。钛合金具有强度高、密度低、弹性模量低等优良特性，因此被广泛应用于航天航空领域。然而传统高强度钛合金Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)与低弹性模量钛合金Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn(Beta-Ⅲ)经500℃左右温度时效后，其E值均超过95GPa，σ_0.2/E小于1.3％，无法满足高超声速飞行器的耐热弹性部件的性能要求。因此，为满足高超声速飞行器机翼前、后缘材料等使用要求，需进一步探索、设计并制备出新型钛合金，使其经500℃左右的高温时效后，具有高强度、低弹性模量和高σ_0.2/E值，从而具备优异的耐热和弹性变形能力。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种具有高强度和高弹性的耐热钛合金成分及其制备方法，使一系列成分的钛合金经固溶、冷轧处理及500℃左右高温时效后，均具有高强度、低弹性模量和高σ_0.2/E值，从而具备优异的耐热和弹性变形能力。

技术方案：本发明的一种高强度高弹性耐热钛合金的组份为Ti-Nb-Zr-V-O，其中各元素重量百分比为：Nb：29.0～35.0wt％；V：0wt％＜V≤4.0wt％；Zr：1.8～2.2wt％；O：0.29～0.31wt％，余量为Ti，其中wt％Nb＝35wt％-1.5wt％V，式中wt％Nb表示Nb元素的重量百分比，wt％V表示V元素的重量百分比。

本发明的一种高强度高弹性耐热钛合金的制备方法包括以下步骤：

第一步：根据钛合金成分，以Ti、Nb、Zr、V和TiO₂为原料配制合金；

第二步：将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中反复熔炼，得到成分均匀的铸锭；

第三步：将铸锭热锻成棒材，经固溶处理后投入水中淬火冷却；