[发明专利]一种低弹性模量、高强度α+β钛合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低弹性模量、高强度α+β钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.7%~5.7%，V 2.5%~3.5%，Cr 0.5%~1.5%，Fe 0.5%~1.5%，余量为Ti以及不可避免的杂质元素；本发明还公开了该钛合金的制备方法：一、配料压制成电极；二、经真空自耗熔炼得到铸锭；三、经开坯锻造、轧制热处理后得到α+β钛合金棒材。本发明的钛合金中添加有Al、V、Cr、Fe合金化强化元素，结合控制各强化元素的质量百分含量，有效调整了α/β相的比例，实现了对钛合金强度和弹性模量的双调控，在降低α+β钛合金的弹性模量的同时提高其抗拉强度；本发明的制备工艺流程简单，易于实现。

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种低弹性模量、高强度α+β钛合金及其制备方法。

背景技术

钛合金因其高比强度、低弹性模量、良好的生物相容性和耐腐蚀性等而被广泛应用于航空航天、武器装备和医疗化工等领域。在医疗领域，钛合金主要用作人的植入体来替代骨骼，如上、下颌骨和股关节、膝关节等。相比于现有的不锈钢和钴基合金。钛合金有着更低的弹性模量、更好的生物相容性。因此目前发明的低弹性模量钛合金都瞄准生物医疗行业，且在钛合金中加入大量的Nb、Ta、Zr、Sn等无害元素，而这些元素不仅价格昂贵，而且对钛基体的强化效果相对较弱，因此这类低弹性模量合金的强度通常较低（≤1000MPa），比强度降低。同时，添加元素后钛合金成本远远高出普通钛合金，不利于合金的推广应用。

实际上，还有一个重要的应用领域也需要材料具有相对较低的弹性模量，就是弹簧。弹簧几乎出现在所有的机械装备中，特别是在一些高端装备中。钛合金低弹性模量、高比强度和耐腐蚀性的特点能够替换现有的钢制弹簧，在航空航天和武器装备领域实现节能减重的目的。而针对于这一需求的低弹性模量、高强度钛合金的研究较少，一定程度上制约了我国国防事业的发展。

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，提供一种低弹性模量、高强度α+β钛合金。该钛合金中添加有Al、V、Cr、Fe合金化强化元素，在单相β钛合金的基础上引入α相，结合控制各强化元素的质量百分含量，有效调整了α/β相的比例，实现了对钛合金强度和弹性模量的双调控，在降低α+β钛合金的弹性模量的同时，大大提高其抗拉强度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种低弹性模量、高强度α+β钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.7%~5.7%，V 2.5%~3.5%，Cr 0.5%~1.5%，Fe 0.5%~1.5%，余量为Ti以及不可避免的杂质元素；所述α+β钛合金室温下的弹性模量G≤60GPa，抗拉强度R_m≥1300MPa，断后伸长率A=15%~17%。

本发明的钛合金中添加有Al、V、Cr、Fe合金化强化元素，利用Al、V、Cr、Fe原子外层电子与体心立方钛外层电子的相互作用以及原子间的电负性，形成以钛原子为主、多固溶原子短程有序排列的晶体学特征，而这种组织结构的吉布斯自由能处于低能级态，即稳定态，当钛合金经热处理后α相析出，α稳定元素（Al）会优先脱离出β相，而β稳定元素（V、Cr、Fe）会部分扩散到α相中，使得稳定态遭到破坏转化为亚稳态，该过程中弥散析出的α相起到弥散强化作用但弹性模量过高，而β相发生马氏体相变则拥有很低的弹性模量，因此，本发明在单相β钛合金的基础上引入α相，通过控制各强化元素的质量百分含量，从热力学角度出发调节Al、V、Cr、Fe元素在双相区固溶时的扩散规律，有效调整了α/β相的比例，即在α相析出时，固溶元素从β基体相中扩散到α相中的比例，严格控制β基体相中固溶元素的溶度，在应力作用下诱发β相发生马氏体相变，从而在确保α相的析出数量以保证强化效果、提高钛合金抗拉强度的同时，有效降低弹性模量，实现了对α+β钛合金强度和弹性模量的双调控。

上述的一种低弹性模量、高强度α+β钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.86%，V 3%，Cr 1.17%，Fe 0.84%，余量为Ti以及不可避免的杂质元素。