[发明专利]一种高强韧双尺度结构钛合金及其制备方法与应用

权利要求书

1.一种高强韧双尺度结构钛合金，其特征在于，所述钛合金的成分体系表示为：Ti-MR-Ma-Mb-Mc，其中MR为Nb、Ta、Mo或V在β-Ti相稳定和提高β-Ti熔点的元素；Ma-Mb为Cr-Co、Cu-Co、Cu-Ni、Fe-Co、Fe-In、Fe-V、Fe-Ga、Fe-Sn或FeGa相互固溶的元素；Mc为Al、Sn、Ga、In、Bi或Sb在α-Ti相稳定的元素；其微观组织结构包括两相组织均为双尺度共存分布，即微米晶等轴bccβ-Ti和超细晶等轴bccβ-Ti双尺度共存，同时微米晶fccMbTi₂和超细晶等轴fccMbTi₂双尺度共存；或其微观组织结构包括超细晶fccMbTi₂孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bccβ-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′相。

2.根据权利要求1所述的一种高强韧双尺度结构钛合金，其特征在于，所述钛合金的成分体系为：Ti-Nb-Cu-Co-Al，各元素的原子百分比为Ti58～70at.％，Nb9～16at.％，Cu4～9at.％，Co4～9at.％，Al2～8at.％，以及不可避免的微量杂质；其微观组织结构包括两相组织均为双尺度共存分布，即微米晶等轴bccβ-Ti和超细晶等轴bccβ-Ti双尺度共存，同时微米晶板条fccCoTi₂和超细晶等轴fccCoTi₂双尺度共存；或其微观组织结构包括超细晶板条fccCoTi₂孪晶沿着双尺度基体边界分布，双尺度基体为微米晶bccβ-Ti内弥散分布纳米针状马氏体α′相。

3.权利要求1或2所述的一种高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：

(1)混粉：根据具有不同熔点的两个fcc和bcc晶态相的原则设计出合适的合金成分，把单质粉末按比例配料后混合均匀；

(2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的粉末置于惰性气氛保护的球磨机中进行高能球磨，直至形成纳米晶或非晶结构的合金粉末，然后对球磨合金粉末进行热物性分析，确定升温过程中合金粉末的低熔点fcc相熔化峰特征温度和高熔点bccβ-Ti熔化峰特征温度，包括开始熔化温度、峰值熔化温度和结束熔化温度；

(3)半固态烧结合金粉末：将步骤(2)的合金粉末装入模具内进行烧结，烧结过程分为三个阶段：①烧结压力条件下，升温至低于低熔点fcc相的熔化峰的开始熔化温度，对合金粉末进行致密化烧结处理；②继续升温至半固态烧结温度T_s，其中低熔点fcc相熔化峰的开始熔化温度≤T_s≤高熔点bccβ-Ti熔化峰的开始熔化温度，在10～500MPa烧结压力下进行半固态烧结加工处理10min～2h；③保压冷却至室温，得到高强韧双尺度结构钛合金。

4.根据权利要求3所述的一种高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的单质粉末的颗粒尺寸为20～100μm。

5.根据权利要求3所述的一种高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的高能球磨是指在转速为2～6r/s下球磨1～100h，球料比为7:1～12:1。

6.根据权利要求3所述的一种高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的模具为石墨模具，所述的烧结压力为10～100MPa。

7.根据权利要求3所述的一种高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的模具为碳化钨模具，所述的烧结压力为60～500MPa。

8.根据权利要求3所述的一种高强韧双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的冷却至室温是指随炉直接冷却或调节冷却速率为10～250℃/min进行冷却。

9.权利要求1或2所述的高强韧双尺度结构钛合金在航天航空、兵器、体育器材等领域中的应用。