[发明专利]一种高强高韧钛合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强高韧钛合金及其制备方法，属于有色金属加工领域。

背景技术

钛及钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，已被广泛应用于在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等各个领域。在航空航天工业中，钛合金是飞机和发动机的主要结构材料之一。钛合金在飞机上使用可以减轻重量，提高结构效率，降低飞行成本，因此钛合金在飞机的某些部位逐渐替代了钢、铝合金和镍基超合金，成为航空工业大型结构件的理想材料。理论计算表明在仅考虑强度的前提条件下，钛合金替代超高强度钢，抗拉强度达1300MPa时，可减重11％；达1500MPa时，可减重23％；达1800MPa时，可减重36％。

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。各国竞相研制开发新型高强高韧钛合金或通过调整现有钛合金的成分提高钛合金的强度和断裂韧性。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。

Ti-1023合金是美国Timet公司于1971年研制成功，迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金。1972年，Rockwell国际公司评价了这种合金用于飞机机架的可能性，并证明合金该具有良好的高强高韧性。1977年，波音公司为了减轻飞机重量提出选择一种R_m为1240MPa，K_IC为44MPa·m^1/2的钛合金用于生产的新一代商业飞机，以替换飞机中的钢结构材料和退火强度较低的TC4合金。其中Ti-1023被选定为最有前途的钛合金。1980年，波音公司选择Ti-1023合金制造了757飞机零件。

Ti-1023的成功应用应归结于它是一种高结构效益、高可靠性和低制造成本的锻造钛合金。为了提高合金的锻造性能和断裂韧性，要求合金中Fe的含量低于2％，O的含量限制在0.13％以下。在同等强度等级下，合金在两相区固溶处理得到的组织具有良好的塑性。合金经热处理后其R_m为965～1310MPa，K_IC为99～33MPa·m^1/2，有较好的强韧性匹配关系。此外Ti-1023合金含有2％Fe元素，在熔炼时易因成分偏析产生“β斑”，使合金组织不均匀，降低塑性及疲劳性能。另外，Ti-1023合金的力学性能对显微组织及其热处理极为敏感，时效温度低于500℃时，极易产生脆性ω相而使合金的塑性急剧下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强高韧钛合金，使其强度、塑性和韧性得到良好匹配。

一种新型高强高韧钛合金，具体为Ti-Al-Cr-Fe-V系合金，该合金的重量百分比组成为：Al：2.5～4.0％，Fe：0.5～1.5％，V：2.0～6.0％，Cr:3.5～5.0％，余量为钛和不可避免的杂质，其中V/Fe比在3.6～4.5之间。

该合金中，各元素重量百分比含量的优选范围为：Al为2.5～2.8w％，Fe为0.8～1.2w％，V为2～4w％，Cr为3.5～4.2w％。

该合金中，Fe、V和Cr均采用中间合金的形式加入。Fe、V和Cr均以中间合金的形式进行合金化，可降低合金化成本。

Fe作为最强的beta稳定化元素，加入到钛合金中，可以加快其时效响应速度，因而达到时效强度峰值所需时间也较短。V是钛合金中常见的同晶型beta稳定元素，在提高合金的强度的同时可以保持合金具有较好的塑形。V元素单质价格昂贵，因此以V-Fe中间合金的形式加入以降低合金化成本。另外，市场上常见的V-Fe中间合金的重量比为4，因此，V/Fe比在3.6～4.5之间更有利于降低合金化成本。Cr也是较强的beta稳定化元素，可提高合金的塑性、韧性和淬透性。Cr元素还能够细化合金的铸态显微组织。而且Cr以非常廉价的Cr-Fe中间合金的形式加入可以起到降低合金成本的目的。Al元素作为α相稳定元素可以提高合金的强度，也可以防止ω相析出引起的脆性。

本发明高强高韧钛合金的制备方法，包括采用海绵钛、Al豆、Fe-68Cr中间合金、Fe-80V中间合金配料等按设计成分分层布料压制电极，用常规真空自耗熔炼炉二次熔炼得到铸锭，其合金成分的重量百分比为：Al：2.5～4.0％，Fe：0.5～1.5％，V：2.0～6.0％，Cr:3.5～5.0％，余量为钛和不可避免的杂质，其中V/Fe比在3.6～4.5之间。