[发明专利]一种超高强度Ti-Al-Zr-Mo-Cr系β钛合金及其热处理工艺

说明书

一种超高强度Ti‑Al‑Zr‑Mo‑Cr系β钛合金及其热处理工艺，将Ti‑Al‑Zr‑Mo‑Cr系β钛合金进行固溶处理，再进行时效处理；其中，Ti‑Al‑Zr‑Mo‑Cr系β钛合金按重量百分比计，包括4.5～5.5％的Al，3.5～4.5％的Zr，9.5～10.5％的Mo以及2.5～3.5％的Cr，余量为Ti。本发明合金经过熔炼、锻造以及强韧化热处理后可获得超高的强度同时兼具塑性。本发明合金在加入Al的同时又加入了一定量中性元素Zr，使得α相获得进一步的强化；高质量百分比Mo元素的加入用以强化β基体。另外，由于Mo的低扩散速率，其还可降低合金在两相区锻造时的温度敏感性，扩大合金加工窗口。

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种超高强度Ti-Al-Zr-Mo-Cr系β钛合金及其热处理工艺。

技术背景

自1952年第一个商用β钛合金Ti-13-11-3诞生并成功应用于SR-71黑鸟战机以来，β钛合金由于其具有高强度、优异的塑韧性匹配以及良好的冷成型性能一直受到国内外的广泛关注。尤其是近β和亚稳β合金，其兼具两相合金与β合金的性能优势，在近十年来的工业应用中获得快速的发展。

早期的高强合金大都具有较高的Mo当量，通过固溶加时效处理获得弥散分布的α相从而强化合金。典型的代表有西方的β-C合金、Ti-15-3合金，以及中国的TB2、TB3合金。此类合金由于高的β稳定元素含量，在熔炼过程中易形成偏析以及β斑等缺陷，同时在时效过程中形成晶界α相以及无析出区(PFZ)的倾向强。近些年以VT-22、Ti5553、TB10和β-CEZ为代表的β合金有效的克服了上述问题。通过降低Cr、Fe等易偏析元素含量并控制熔炼工艺，使得β斑的形成倾向大大降低。同时，低的Mo当量提高了α相形核驱动力，改变了合金时效动力学，使得α相更均匀分布，从而可获得优良的力学性能。然而，以Ti-5553合金为例，该合金在1200MPa级别具有优良的强塑性匹配以及疲劳性能，随着合金强度的进一步升高，塑性显著下降。国内北京有色院研发的TB10合金经过适当的热处理工艺R_m可达到1300MPa 级别，已成功应用于神州二号轨道仓以及星箭连接系统中，但是在更高强度的服役环境中，其应用也受到限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种超高强度Ti-Al-Zr-Mo-Cr系β钛合金及其热处理工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种超高强度Ti-Al-Zr-Mo-Cr系β钛合金，按重量百分比计，包括4.5～5.5％的Al，3.5～4.5％的Zr，9.5～10.5％的Mo以及2.5～3.5％的Cr，余量为Ti以及不可避免的杂质元素。

本发明进一个的改进在于，按重量百分比计，包括5～5.1％的Al，4.06～4.15％的Zr， 9.8％～10％的Mo，3.03～3.15％的Cr，余量为Ti和不可避免的杂质。

本发明进一个的改进在于，将Ti-Al-Zr-Mo-Cr系β钛合金进行固溶处理，再进行时效处理。

本发明进一个的改进在于，进行固溶处理，再进行时效处理的具体过程为：在两相区780～ 800℃进行3h固溶处理，水淬至室温，随后在580～600℃进行8小时时效。

本发明进一个的改进在于，进行固溶处理，再进行时效处理的具体过程为：首先在单相区865～885℃进行40～45min固溶处理，随后以3～5℃/min冷速缓慢冷却至580～600℃，并保温6～8h。

本发明进一个的改进在于，Ti-Al-Zr-Mo-Cr系β钛合金通过以下方法制得：选择相应的原料，采用冷坩埚悬浮熔炼方法，将原料散装入炉并进行多次悬浮熔炼获得铸锭，铸锭经过扒皮并切冒口后进行开坯锻造、高温锻造以及锻后热处理获得Ti-Al-Zr-Mo-Cr系β钛合金。