[发明专利]高塑性高强Ti-Mo-Al-Nb-V系β钛合金、热处理工艺

说明书

一种高塑性高强Ti‑Mo‑Al‑Nb‑V系β钛合金及其热处理工艺，属于金属增材制造技术领域。本发明通过β单相区固溶处理，可以抑制脆性第二相析出、净化合金基体；预中温时效，可以使得第二相尺寸细小、防止晶粒长大；短时高温时效，可以使第二相分布均匀，沉积态拉伸，其抗拉强度为720~800MPa、屈服强度为650~740MPa、延伸率为17~28%，热处理态拉伸，其抗拉强度为1100~1250MPa、屈服强度为950~1150MPa、延伸率为15~20%，兼具有良好的增材制造成形性、损伤容限能力高、可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种具有良好增材制造成形性能的高塑性高强Ti-Mo-Al-Nb-V系β钛合金及其热处理工艺，属于金属增材制造技术领域。

背景技术

激光增材制造钛合金是航空工业的关键材料，由于航空零件外形复杂多变、材料性能要求高、且加工难度高，在高端装备领域采用大型化的整体构件实现工业化批量生产成为设计亟需，但相关激光增材制造的专用钛合金成分体系极其匮乏。采用常规平衡态的材料设计理论和制造方法所研发的钛合金体系，难以适应激光加工技术的非平衡快速凝固和复杂的热循环历史等严苛特性需求。目前市场上所有工业高塑性钛合金有Ti-13Nb-13Zr和Ti-24Nb-4Zr-8Sn等各类合金都是面向铸造和锻造技术设计的，这些工艺中熔化的金属固化速度比激光增材制造工艺要慢2～3个数量级，在激光加工中常会严重开裂、损伤容限能力差。TC4、TC11和TC21具有良好的激光增材制造成形性能等特点，但是此类合金延伸率低于15％、强度低于1200MPa。因此，急需研发适用于激光增材制造的专用高塑性高强钛合金。

在CN111455216A的发明中，长安大学提出了一种面向激光增材制造应用的类TC4钛合金。该制备方法主要是通过在TC4合金中加入微量Mo元素。在激光增材制造的热循环作用下，有效实现了晶内α板条细化和α相体积分数提升的协同作用效果，提高了类TC4钛合金强度和塑性，但该合金延伸率低于15％。

在CN107746990A的发明中，西安交通大学提出了一种高强高塑性Ti-Al-Zr-Mo-V系β钛合金。该方法主要是通过反复开坯锻造、高温锻造和固溶处理以及效强化处理后，获得的一种的流变抗力低、组织敏感性小的β钛合金，但制备工艺复杂，延伸率低于12％。

在CN104862529A的发明中，西北有色金属研究院提出了一种超高强高塑性钛合金。该方法主要是通过β同晶型稳定元素Mo提高材料的强度，V降低α相的c/a比值，实现了合金较低的流变抗力和良好的塑性，但该合金中还添加了大量β共析型稳定元素Cr,导致合金固化温度范围较宽，激光增材制造容易产生微裂纹，适于传统铸造和锻造生产，但并不适于先进激光增材制技术生产。

在CN106507837A的发明中，西北有色金属研究院提出了一种超塑性钛合金。该方法主要是在Ti-Al-V-Mo-Zr体系中，但该合金中还添加了β共析型稳定元素Fe,合金固化温度范围宽，容易产生微裂纹，降低材料强度，适于传统铸造和锻造生产，但并不适于先进激光增材制技术生产。

针对以上问题，通过引入描述化学近程序结构的团簇加连接原子模型解析了目前增材制造领域的主体材料TC4合金的成分结构根源，找到了钛合金近程序结构单元及对应成分式，以此为增材制造专用高塑性钛合金材料的开发提供成分设计依据。

发明内容

本发明是要解决现有的钛合金材料增材制造成形性能差、损伤容限能力差、塑性低的技术问题，而设计开发了一种具有良好增材制造成形性能的高塑性高强Ti-Mo-Al-Nb-V系β钛合金。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：