[发明专利]一种增强增韧亚稳β钛合金及其制备方法

说明书

一种增强增韧亚稳β钛合金，按照重量百分比，各元素成分为：Al：3.7%~5.0%，Mo：4.7%~6.0%，V：4.5%~5.5%，Cr：4.5%~6.0%，Nb：0.5%~2.0%，O：0.05%~0.15%，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15%，以上组分重量百分比之和为100%。通过三次真空自耗熔炼、锻造、固溶时效热处理制备。本发明的钛合金，具有高强度、良好的塑性、韧性，综合性能良好，可大批量化工业生产。

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种亚稳β型钛合金及其制备方法。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，对钛合金提出了更高的强度和韧性要求。目前我们国内主流的高强度系列钛合金如TC18、Ti1023等，经热处理强化后其抗拉强度可达到1100～1250MPa，断裂韧性可达到55～65MPa·m^1/2。美国的Timetal555、俄罗斯的VST55531在相同强度水平下，K_IC均小于60MPa·m^1/2，无法满足对强度要求1300Mpa，冲击韧性大于25J/cm²，断裂韧性大于60MPa·m^1/2钛合金的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种亚稳β钛合金，通过控制Al(铝)、Mo(钼)、Cr(铬)元素含量、添加Nb(铌)元素，使其在保持超高强度的同时，同时具有较好的塑性和韧性。另一目的是提供上述亚稳β钛合金的制备方法，解决了常规熔炼方法制备时产生元素偏析和富Nb不熔块等冶金缺陷风险问题。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为一种增强增韧亚稳β钛合金，按照重量百分比，各元素成分为：Al：3.7％～5.0％，Mo：4.7％～6.0％，V：4.5％～5.5％，Cr：4.5％～6.0％，Nb：0.5％～2.0％，O：0.05％～0.15％，余量为Ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15％，以上组分重量百分比之和为100％。

进一步地，所述杂质元素中，杂质Fe元素含量≤0.1％。

进一步地，所述Cr元素全部由MoVAlCr四元中间合金引入；所述Mo、V元素主要来源于MoVAlCr四元中间合金，元素不足量由相应二元合金引入；所述Nb元素来源于NbTi合金；所述Al元素由MoVAlCr四元中间合金、相应的二元合金及Al单质金属引入；Ti元素主要由海绵钛引入；O元素由TiO₂引入。

进一步地，所述MoVAlCr四元中间合金中，各元素重量百分比为Mo：25.0％～30.0％，V：25.0％～30.0％，Cr：30.0％～40.0％，余量为Al。

进一步地，所述MoVAlCr四元中间合金由氧化钼、氧化铬、氧化钒和铝粉通过铝热还原法制备。

进一步地，所述NbTi合金中，Nb元素重量百分比为40％～60％，余量为Ti。

进一步地，引入所述Mo、V元素的二元合金分别为铝钼合金和钒铝合金。

本发明的亚稳β钛合金是在在Ti(钛)-Al(铝)-Mo(钼)-V(钒)-Cr(铬)合金体系的基础上，减少Cr元素含量，提高Al元素和Mo元素含量，并添加0.5％～2.0％的Nb元素形成的，其名义成分为Ti-4Al-5Mo-5V-5Cr-1Nb，内部钛合金牌号为WSTi55541。添加的Nb元素属于弱β稳定元素，其原子半径与Ti基体原子接近，具有良好的无限互溶性，不会与基体发生相变。而Cr元素在时效强化热处理过程中易与Ti基体反应，进一步形成脆性Ti₂Cr第二相，导致在疲劳裂纹在脆性相与基体界面处形成裂纹并扩展，极大限制了合金的服役性能。因此，需要降低Cr元素含量、提高Al元素、Mo元素含量，以及调节其他元素含量，以获得高强度、高韧性、塑性好的β钛合金。