[发明专利]一种新型高强高韧钛合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金，具体涉及一种新型的高强高韧钛合金。

背景技术

近年来随着材料科学的发展以及能源危机的冲击，航空航天工业对高强度、高断裂韧性的新型结构材料的需要越来越迫切。因此，研制具有自主知识产权，能够替代超高强度钢并用于航空大型承力件的新型高强高韧钛合金势在必行。所谓高强高韧钛合金一般指抗拉强度在1000MPa以上，断裂韧性在55MPa·m^1/2以上，且具有较好塑性的钛合金。目前，国内外主要的代表性高强高韧钛合金有Ti-10V-2Fe-3Al，Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr，Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr(TB2)，Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr(TB10)等。这些高强高韧钛合金以亚稳β钛合金和近β钛合金为主。近β钛合金和亚稳定β钛合金分别指β稳定系数在1～1.5和1.5～2.5的β钛合金。k_β值的定义为钛合金中各β稳定元素的重量百分比与各自的临界浓度的比值之和即k_β＝C_Mo/11+C_V/14.9+C_Cr/6.5+C_Nb/28.4+C_Ta/40…+C_Fe/5(式1)，C_Mo、C_V、C_Cr、C_Nb、C_Ta、…、C_Fe为合金中所含β稳定元素的重量百分比。β钛合金的强化机制主要是亚稳β相通过时效处理，分解成弥散分布的α_s相、稳定β相或其它第二相，使合金强度得到大幅度提高。合金成分、显微组织是决定钛合金断裂韧性的主要因素，合金成分决定了合金中β相的数量，也决定了合金的类型和断裂韧性。显微组织的形态、数量、体积等因素同样决定合金断裂韧性的高低。一般来说，随着强度的提高，合金的断裂韧性降低。因此在国内外高强高韧钛合金的类型主要以近β钛合金和亚稳β钛合金为主。

但由于高强高韧的钛合金主要作为结构材料在现代技术中广泛使用，因此新型高强高韧钛合金除了具有良好的力学性能外，同时还应具有良好的可加工性及深硬化性。

亚稳β钛合金由于合金化程度较高，合金相变点较低，β晶粒容易在β相区锻造的反复加热过程中长大，对合金的塑性极为不利。同时，高合金化β合金抗变形抗力较大，在锻件截面尺寸较大时难以实现较大的变形量，故不选用此类型合金。

近β型钛合金含有临界浓度附近的β稳定元素，Mo当量为8.5～10.8，K_β为1.0～1.5，因此该类合金兼有α+β两相和亚稳定β相合金的性能特征，即在固溶状态具有良好的冷加工性能，在固溶时效状态下具有良好的强度、塑性和断裂韧性相匹配，且热加工工艺性能十分优异，加工温度及变形抗力远低于大多数工业钛合金。此外，该类合金淬透性高，可用于大截面结构件。富β的两相钛合金，K_β为0.8～1.0，该类钛合金通过热处理可改变β相的形态和数量，性能可在较大范围内调节，具有强度、塑性和断裂韧性的良好匹配，且变形抗力小，热加工性能较好。

美国的Ti-10V-2Fe-3Al合金按照标准AMS4984(75mm厚锻件)，其R_m＝1193MPa，R_p0.2＝1103MPa，A＝4％，K_IC＝44MPa·m^1/2。由此可见该合金的强度可以达到高强的标准，但是断裂韧性略差。同时由于该合金由于含有2％Fe，在熔炼时容易因成分偏析产生“β斑点”，在稍微低于基体转变温度进行热处理时就会发生偏析问题，从而影响合金的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型高强高韧钛合金，不仅具有良好的力学性能，同时还具有良好的可加工性及深硬化性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

之一：

一种高强高韧钛合金，其成分包括(重量百分数)：

2.0～5.5％的Al；

2.0～8.0％的Mo，2.0～6.0％的V，且Mo/V的值在1/3～4；

2.0～5.0％的Cr；

k_β＝C_Mo/11+C_V/14.9+C_Cr/6.5+C_Fe/5，其值为0.85～1.4；

中性元素Zr、Hf、Sn中的一种或者两种，且成分范围均为0.15～3.5％；