[发明专利]一种具有高强度高韧性匹配的钛合金及其制备工艺

说明书

本发明涉及钛合金及其成形工艺领域，具体为一种具有高强度高韧性匹配的钛合金及其制备工艺。该合金各组成元素的重量百分比为：Al：5.5～6.5％，Sn：1.5～2.5％，Zr：1.5～2.5％，Mo：2.5～3.5％，Cr：0.5～1.5％，V：0.5～1.5％，Fe：0.1～0.3％，O：0.1～0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。该合金的制备工艺为：第一步在合金相变点以上20℃～50℃的β单相区一火次锻造，锻造变形量约为40％～80％；第二步在合金相变点以下20℃～50℃的α+β两相区锻造成形，两相区锻造火次控制在1～3火次，累积变形量不超过20％；第三步在500℃～600℃温度范围内进行热处理。本发明可用于制作高强高韧钛合金的棒丝材、板材、锻件等多种类型制品，应用于航空、航天、舰船等对结构减重、耐蚀具有需求的领域。

技术领域

本发明涉及钛合金及其成形工艺领域，具体是指一种包含多种成分的具有高强度高韧性匹配的钛合金及其制备工艺和锻造热处理工艺，可应用于我国新一代飞机的关键承载结构部件，以及航天、舰船等对结构减重、耐蚀性具有需求的技术领域。

背景技术

常见的两相钛合金中主要包含α相及β相，等轴状α相的钛合金具有强度好但断裂韧性稍差的特点，而具有片层组织的钛合金则具有韧性好的优点，但强度及塑形较等轴组织略差。通过化学成分调整及相应的锻造成形工艺实现等轴组织与片层组织力学性能的结合是业内追求的目标。

钛合金成分中，不同的化学元素对钛合金α相及β相的组成、比例、尺寸形貌均有影响，从而具有不同化学成分的钛合金其力学行为差异较大。Al元素是钛合金中添加最广泛的合金元素，属于置换型α相稳定元素，对合金具有固溶强化效果，且在合金时效处理中可与Ti形成α₂相，进一步强化α相。Mo、V、Cr、Fe元素均属于置换型β相稳定元素，其中Mo、V属于β同晶元素，而Cr、Fe属于β共晶元素。通过添加一定量的β相稳定元素，能够在室温下获得稳定的β相，后续时效过程中β相中析出弥散的α相对合金具有明显强化作用。Zr、Sn元素属于置换型中性元素，对钛合金的高温力学性能具有一定的提升作用。

目前，已有报道或形成材料标准的涉及Al、Mo、Cr、V、Fe、Sn、Zr合金元素的钛合金主要有：Ti-6Al-4V合金、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr合金、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe等。其中，应用最广泛的钛合金为Ti-6Al-4V合金(国内合金牌号为TC4合金)，该合金含有约6％重量百分比的Al元素及约4％重量百分比的V元素。TC4合金被广泛地应用在航空航天结构部件及不高于400℃的高温部件中。结构材料通常需要较高的强度与韧性的匹配，在TC4合金成分范围内，合金强度为800～1000MPa，断裂韧性80～95MPa·m^1/2。由于航空、航天等领域结构减重的强烈需求，目前的TC4合金，其强度韧性匹配水平已不能满足未来使用需求，急需发展一种高强度、高韧性的新型钛合金材料。

除合金化学成分及其模锻成形工艺对钛合金制品力学性能具有显著影响，目前应用广泛的钛合金锻件成形工艺及热处理工艺均有两种。在钛合金锻件模锻成形工艺方面，第一种锻造方式的实施如下，在钛合金α+β两相区一火或多火次锻造成形，锻件具有等轴或双态显微组织结构；第二种锻造方式实施如下，在钛合金相变点以上的β单相区一火次锻造成形(必须避免β单相区多火次加热锻造)，锻件具有网篮组织结构。钛合金锻件热处理工艺方面，第一种热处理方式在相变点以下20℃～50℃进行固溶处理，随后采用时效处理；第二种热处理在相变点以下100℃～300℃进行退火消应力处理。