[发明专利]一种20K超低温用高强塑钛合金

说明书

本发明公开了一种20K超低温用高强塑钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 3.0％～5.0％，Zr 1.0％～3.0％，Mo 0.5％～2.0％，V 0.5％～2.5％，Nb 0.2％～1.0％，O≤0.13％，余量为Ti和不可避免的杂质；该钛合金经简单退火或双重退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度大于1450MPa，断后伸长率大于8％。本发明通过控制钛合金的Aleq以显著强化α相，保证钛合金具有良好的超低温强塑性匹配，通过控制Moeq以获得更佳的低温固溶强化效果，减少对钛合金低温塑性的损害，共同提高了20K超低温条件下钛合金的强度兼具良好的低温塑性，适用于制备复杂结构的超低温用结构件。

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种20K超低温用高强塑钛合金。

背景技术

相比于不锈钢、镁铝等低温工程用材料，钛合金具有更高的比强度、更好的低温韧性且低温下具有热传导率低、膨胀系数小等优点，因此其作为一种低温工程材料在航天领域应用越来越广泛，钛合金低温应用技术也成为衡量各国航天火箭技术的重要指标。目前，国内常用20K超低温用钛合金主要是TA7ELI(Ti-5Al-2.5Sn)，其在20K超低温抗拉强度可达到1300MPa以上，延伸率≥9％。该合金作通过工艺调整，其20K低温强度虽然可以达到1400MPa以上，但是低温塑性下降显著，无法满足使用要求；且合金中几乎不含β稳定元素，热加工塑性较差，α-β相区成型困难，导致生产周期长、生产成本居高不下。我国自行研制的CT20钛合金虽然具有良好的热塑性，但20K超低温抗拉强度一般在1200MPa左右，延伸率≥10％。随着我国航天事业的发展，以及更高推比火箭的需求迫切，亟需开发一种1450MPa级的新型超低温高强塑钛合金，且要求合金具有良好的热加工塑性，从而有效降低生产周期及生产成本。

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20K超低温用高强塑钛合金。该方法对钛合金的成分进行设计，通过控制钛合金的3.5≤Aleq≤5.2，以显著强化α相，获得更佳的低温固溶强化效果，且保证钛合金具有良好的超低温强塑性匹配，通过控制1.0≤Moeq≤2.8，以获得更佳的低温固溶强化效果，并减少对钛合金低温塑性的损害，共同提高了20K超低温条件下钛合金的强度，且保证了钛合金具有良好的低温塑性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种20K超低温用高强塑钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al3.0％～5.0％，Zr 1.0％～3.0％，Mo0.5％～2.0％，V 0.5％～2.5％，Nb 0.2％～1.0％，O≤0.13％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述钛合金经简单退火或双重退火后，在20K超低温条件下的抗拉强度大于1450MPa，断后伸长率大于8％。

钛合金在20K超低温条件下的主要变形机制为α相的孪生变形机制。β相在低温下的变形机制主要为层错机制，且随着变形温度的降低，层错能启动阀值增加、导致β相低温脆性增加。钛合金中α相低温强度随Al当量(Aleq)增加而增加，但低温塑性下降，β相显著提高合金的低温强度，但会损害钛合金的低温塑性。针对于现有常用的α型超低温用高强钛合金热塑性较差、无法高效低成本生产的问题，以及近α型超低温用钛合金热加工塑性良好、但20K超低温下强度无法满足航天工业发展需求的问题，本发明对钛合金的成分进行设计，通过控制钛合金的Aleq≥3.5，以显著强化α相，获得更佳的低温固溶强化效果，同时控制Aleq≤5.2，保证钛合金具有良好的超低温强塑性匹配，通过控制Moeq≥1.0，以获得更佳的低温固溶强化效果，同时控制Moeq≤2.8，减少对钛合金低温塑性的损害，上述综合作用提高了20K超低温条件下钛合金的强度，且保证了钛合金具有良好的低温塑性。

针对于α相在20K超低温条件的主要变形机制为孪生变形，而合金元素的增加通常会造成晶格畸变，使得密排六方结构的α相轴比c/a发生变化、不利于孪生的问题，本发明选用最接近钛合金晶体结构的Zr元素作为强化元素，与Al元素高效耦合强化α相，在高效强化的同时，进一步保证了钛合金具有良好的低温塑性。