[发明专利]超低弹性模量超高加工硬化率Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金及其热处理工艺

说明书

本发明公开了一种超低弹性模量超高加工硬化率Ti‑Al‑Mo‑Cr系β钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％～5.5％，Mo 6.0％～7.0％，Cr 2.5％～3.5％，余量为Ti及不可避免的杂质元素；本发明还公开了该Ti‑Al‑Mo‑Cr系β钛合金在(T_β‑50℃)～(T_β+50℃)的温度下进行固溶处理的热处理工艺。本发明通过对钛合金成分及含量设计，使其在室温下变形时易诱发马氏体相变，降低了合金的弹性模量，并具有超高的加工硬化率；本发明通过控制Ti‑Al‑Mo‑Cr系β钛合金的固溶处理温度，使其在较大温度范围内均处于易于不稳定状态，保证其超低模量和超高加工硬化率性能。

技术领域

本发明属于钛合金加工技术领域，具体涉及一种超低弹性模量超高加工硬化率Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金及其热处理工艺。

背景技术

钛合金因其高的比强度、良好的塑性、生物相容性以及耐腐蚀性能等而被广泛应用在各个领域。每种钛合金根据其组织性能特征都有相应的应用领域。α钛合金通常强度较低，但具有良好的耐热性和耐蚀性而被用做化工管道和压力容器等。美国研制的TC4(Ti-6Al-4V)合金属于典型的中强度α+β钛合金，其具有良好的综合性能和加工性能而被广泛应用于航空航天领域。还有典型的高强度亚稳β钛合金TB6(Ti-1023)，因其良好的强韧性匹配而用于飞机起落架等。通常高强钛合金的强化机制都是通过在时效阶段使β基体中析出弥散分布的α相，因此，通过调整时效温度和时效时间来控制α相的形貌、尺寸和数量，从而达到不同的强化效果。强化机制相对单一，强化效果也比较有限。

这种强化机制也导致了绝大多数钛合金都有一个显著的缺陷就是加工硬化率很低，即钛合金一旦屈服后无需增加外力就会发生连续的塑性变形，直至断裂失效。这会大大降低钛合金的安全系数。因此为了安全考虑，钛合金在应用设计时只能使其处于弹性阶段。此外，高强钛合金的屈服点都相对较高，在室温下的变形抗力较大，不利于加工成型。因此钛合金通常在高温下进行加工，这也明显增加了钛合金的加工成本。上述两点都极大地限制了钛合金的应用推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种超低弹性模量超高加工硬化率Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金。该钛合金通过对其成分及含量进行设计，使得Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金的Md＝2.386，Bo＝2.368，而且Mo当量在11～12，从而该Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金在室温下变形时容易诱发马氏体相变，极大地降低了合金的弹性模量，并具有超高的加工硬化率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：超低弹性模量超高加工硬化率Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％～5.5％，Mo 6.0％～7.0％，Cr 2.5％～3.5％，余量为Ti及不可避免的杂质元素；所述Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金的弹性模量不大于65GPa，加工硬化率不小于9GPa。

本发明基于第一性原理计算的d电子理论，同时考虑每个合金元素对钛合金的固溶强化效果，采用临界Mo当量法对Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金的成分及对应含量进行设计，通过调整合金化元素及其含量，使得Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金的Bo(键级)值和Md(d电子能级)值刚好落在特定的区域(Md＝2.386，Bo＝2.768)，而且Mo当量为11～12，使得该Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金的马氏体相变温度处于室温附近，从而该Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金在室温下变形时处于不稳定状态，仅需较低的相变驱动力即可在变形初期大量形核，容易诱发马氏体相变，而非传统的位错滑移和孪晶变形，极大地降低了合金的弹性模量；同时，马氏体相变形成大量的马氏体相界面又阻碍了位错的运动，从而使该合金具有超高的加工硬化率。

上述的超低弹性模量超高加工硬化率Ti-Al-Mo-Cr系β钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.8％～4.82％，Mo6.26％～6.28％，Cr 2.83％～2.85％，余量为Ti及不可避免的杂质元素。