[发明专利]一种高强度、高淬透钛合金

说明书

技术领域

本发明是一种高强度、高淬透钛合金，特别适用于制造厚截面大型锻件，也可制造铸件以及其他零件，属材料科学技术领域。

背景技术

钛合金具有比强度高、耐高温、抗腐蚀性能好等突出优点，在航空、航天、船舶等领域获得了广泛的应用。随着航宇工业的发展，对结构钛合金的综合性能提出了更高的设计指标要求：

拉伸性能(L向)：σb≥1150MPa，σ0.2≥1080MPa，δ5≥8％，ψ≥20％，可以使结构获得更高的减重效益；

淬透性能：在空气介质中的淬透截面达到250mm，可以制造厚截面大型锻件；

断裂韧度(T-L向)：为满足长寿命的要求，

目前国际上应用的高强度结构钛合金主要有两个：一个是近β型合金Ti-10V-2Fe-3A1，其性能指标是：σb≥1195MPa，δ4≥4％，断裂韧度和淬透性不够。另一个是α-β型合金BT22，Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe，其性能指标是：σb≥1080MPa，δ5≥8％，ψ≥20％，强度不够。这两个合金的性能均不能满足上述设计指标要求。

发明内容

本发明的目的就是针对现有钛合金材料所存在的问题而设计提供一种符合上述设计要求的新合金。它具有高强度、高韧性、高淬透性能。为了实现这一要求，本发明技术方案所提出的钛合金的成分设计要点是：

(1)为了达到淬透性的要求，合金类型选择过渡型α-β型钛合金，名义铝当量为5.5，钼当量为11左右；

(2)α稳定元素A1设计为5.5％，有利于提高合金的强度并降低合金的密度；

(3)β稳定元素及其含量的设计是本发明的关键。同晶型β稳定元素Mo、V、Nb与共析型β稳定元素Fe、Cr相比，前者对提高合金的塑性、韧性更有利，后者对提高合金的强度效果更好。本发明技术方案采用多元同晶型β稳定元素为主，适当加入共析型β稳定元素的设计原则，共设计出4种方案的合金系以进行对比研究。该4种方案分别为：Ti-Al-Mo-V-Nb-Fe系；Ti-Al-Mo-V-Fe系；Ti-Al-Mo-V-Nb-Cr-Fe系；Ti-Al-Mo-V-Cr-Fe系。

对所设计的4个合金熔炼出φ230mm、120kg重铸锭，并锻成24kg重模锻件。经复杂双重退火后进行力学性能检验，包括拉伸、冲击、断裂韧度、疲劳裂纹扩展速率和应力控制低周疲劳性能等。经过对4个合金性能的对比，Ti-Al-Mo-V-Nb-Fe系的综合性能最好，并均符合设计指标要求，并最终确定合金的优化成分为Ti-5.5Al-4Mo-6V-2Nb-1Fe。该合金通过Mo、V、Nb的多元强化，提高了合金的强度，并获得较高的塑性和韧性，再加入共析型强β稳定元素Fe，进一步提高了合金的β稳定系数，使合金能获得更高的强度和淬透性。

通过以上的研究和实验，本发明技术方案所确定的合金的名义成分为Ti-5.5Al-4Mo-6V-2Nb-1Fe，其化学成分及质量百分比为：

Al 5.0～6.2；Mo 3.5～4.5；V 5.5～6.5；Nb 1.5～2.5；Fe 0.5～1.5；C≤0.05；0≤0.13；N≤0.05；H≤0.015；Ti-余量。

具体实施方式

在优化成分Ti-5.5Al-4Mo-6V-2Nb-1Fe的基础上，为了验证该成分的性能重复性，必须进一步研究较大铸锭的力学性能，以确定该成分具有的性能稳定性。

为了研究本发明合金的特性，熔炼出φ280mm、220kg重铸锭，其化学成分见表1。

表1  合金化学成分(质量分数)    ％