[发明专利]一种具有梯度结构的高强TWIP钛合金及其热轧方法

说明书

本发明公开的一种具有梯度结构的高强TWIP钛合金及其热轧方法，将合金在马弗炉中1000～1200℃下的β单相区保温1～2h，然后淬火至室温获得均匀的β相，将得到的合金再次升温至相变点以上，并且保温10‑20min后进行轧制，最后将轧制得到的板材在780～800℃之间保温5～20min后淬火至室温，得到具有梯度组织的单相TWIP钛合金；通过上述方法制备的梯度结构TWIP钛合金，可以分别获得屈服强度720MPa，抗拉强度801MPa，断裂延伸率34.5％和屈服强度900MPa，抗拉强度1100MPa，断裂延伸率23.5％的不同强塑性组合，具有优异的力学性能。

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别是一种具有梯度结构的高强TWIP钛合金及其热轧方法。

背景技术

钛合金被誉为现代金属，其比强度位于金属材料之首，在众多领域都获得了广泛的工程应用。与β单相和α+β两相钛合金相比，亚稳态β钛合金表现出更好的淬硬性，不仅具有塑性、强度、疲劳抗力的良好匹配和优异的变形加工性能，还具有较高的抗腐蚀性能，因而拥有诱人的应用前景。通过调控亚稳态β钛合金的相稳定性，可以使其发生TWIP(孪生诱发塑性)和TRIP(相变诱导塑性)两种变形机制，从而呈现出独特的力学性能。基于这种设计方法，科研人员开发出了一系列TWIP/TRIP钛合金，如Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-12Mo、Ti-9Mo-6W等。TWIP/TRIP钛合金在塑性变形过程中，应力诱导马氏体、应力诱导孪晶这两种变形机制均可以显著提升合金的加工硬化率和塑性，导致其冷加工成型工艺好，可以在室温下经受大变形而不开裂，降低热机械加工的能源消耗和材料的耗损。

在石油化工管道、油井钻杆等领域，马氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢等钢铁材料使用极其广泛，但是其抗硫化物应力开裂或应力腐蚀开裂性能极差，在应用过程中经常出现因腐蚀开裂而引起的失效事故，给国民经济造成了极大的损失。相较于不锈钢材料，钛合金除了具有高的比强度，还具有极强的CO₂+H₂S+Cl^-腐蚀抗力。同时，钛合金在船舶、海水淡化工业可以作为热交换器和冷凝管道，有效弥补了白铜管道中出现的局部腐蚀和点蚀等缺陷，并具有良好的热传输效应。实际上，单相亚稳态β钛合金的腐蚀抗力优于α+β钛合金和热处理时效强化钛合金。

上述特点都使得亚稳态β钛合金成为耐高压、耐腐蚀材料最热门选择材料。然而，应力诱导马氏体和应力诱导孪晶变形机制开动应力较低，导致合金屈服强度较低。因此，TWIP或TRIP钛合金的屈服强度很难得到进一步的提升，严重阻碍了亚稳态β钛合金的进一步发展。一般来说，多元合金元素强化和细晶强化是提升合金屈服强度并保持较好延伸率的两种策略。加入多种合金元素，可以增加晶格畸变从而增大内应力场，阻碍应力诱导马氏体、机械孪晶和位错等变形机制的开动应力。但是，这种方法需要在合金基体中加入较多的合金元素，特别是对于亚稳态β钛合金来说，需要加入较多稳定β相的元素，例如Mo、V、Nb等昂贵的元素，使得合金成本显著提升。另一方面，细化晶粒可以提升合金的屈服强度，并保持较好的延伸率。但钛合金的原子扩散速率极大，晶粒生长速率很快，很难将单相固溶亚稳态β钛合金晶粒细化到微米甚至亚微米级别。因此，如何调控亚稳态β钛合金的组分与结构，通过提升激活TWIP或TRIP效应的临界应力，来提高其屈服强度且不损失甚至提高延伸率是目前亟需解决的关键问题。

发明内容

针对现有钛合金屈服强度低的问题，本发明提供一种具有梯度结构的高强TWIP钛合金及其热轧方法，该方法能够合理利用小晶粒对TWIP变形机制的抑制以及大晶粒对TWIP变形机制的促进作用，通过调控异质结构来改变TWIP变形机制的开动以提高屈服强度，同时提高合金的应变强化能力，保持较高的断裂延伸率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种具有梯度结构的高强TWIP钛合金，所述梯度结构截面两边为完全再结晶的β晶粒，截面的中间为未完全再结晶的β晶粒或部分再结晶的β晶粒，未完全再结晶的β晶粒或部分再结晶的β晶粒中包含亚晶界。