[发明专利]一种五元系损伤容限中强钛合金

说明书

本发明公开了一种五元系损伤容限中强钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.6％～6.9％，Zr 2.5％～3.5％，Mo 2.5％～3.5％，Nb 2.5％～3.5％，余量为钛和不可避免的杂质。本发明通过对钛合金中各组分及含量的设计，提高了钛合金的室温和高温强度和塑性性能，增强了钛合金的抗高温氧化性，以及耐酸、耐盐腐蚀性能，该钛合金综合性能优于其它损伤容限钛合金，且不含有对人体有害的V元素，提高了使用安全性，广泛应用于电力工业、海洋环境和生物医疗领域。

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种五元系损伤容限中强 钛合金。

背景技术

目前世界上用量最大的钛合金是20世纪50年代美国率先研发的 Ti-6Al-4V钛合金(美国牌号为Gr.5)，占到整个钛合金用量的50％以上。 但该主力钛合金含有对人体有害的元素钒。因此，需要开发新型的不含易 氧化元素和对人体有害元素且要求制备及力学性能与美国Ti-6Al-4V (ELI)合金相当的钛合金。

损伤容限设计(damage tolerance design)上为了保证含裂纹或可能含 裂纹的重要构件的安全，国际上从20世纪70年代开始发展并逐步应用一 种现代疲劳断裂控制方法。这种方法的思路是：假定构件中存在着裂纹(依 据无损伤能力、使用经验等假定其初始尺寸)，用断裂力学分析、疲劳裂 纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现裂纹之前，裂纹不会 扩展到足以引起破坏。用损伤容限设计理念设计的钛合金被称为损伤容限钛合金，如源自美国的Ti-6Al-4V ELI(β退火态，中强)，源自前苏联的 低间隙的BT20(即我国的TA15 ELI，中强)，源自美国的Ti-62DT (Ti-6-22-22S)以及前苏联的BT9(即中国的TC11，高强)等钛合金。

我国自20世纪90年代起意识到损伤容限理念在钛合金设计中的重要 性、并于21世纪初系统地开始该类研究工作。在中强钛合金设计中参考 了国外现有成果，设计了TC4ELI合金，TA15 ELI合金及TC4-DT钛合 金。在高强钛合金设计中，参考Ti-6-22-22S钛合金，设计了TC21钛合金。TC4-DT钛合金的主要成分为Ti-6Al-4V，杂质成分要求介于TC4与TC4ELI之间。TC4-DT的研究难题为：既要达到TC4的强度，又要接近 Ti-6Al-4V ELI的韧性。TC4-ELI(美国牌号Gr.23)为超低间隙的Ti-6Al-4V 合金。TA15 ELI钛合金仿制前苏联的BT20钛合金，名义成分为： Ti-6Al-2V-1Mo-1Zr。从力学性能考察，Ti-6Al-4V ELI厚板在β热处理后 室温抗拉强度小于900MPa、屈服强度不超过800MPa；TA15 ELI钛合金 厚板经两相区退火或β退火后损伤容限性能与AMS4905C规定的 Ti-6Al-4V ELI性能相当。以上钛合金的研究难题均为合金成分的实际控 制，主要是杂质元素的控制。同时上述钛合金均含有对人体不利及抗氧化 性差的钒元素。因此，如何获得在满足损伤容限力学性能的基础上又满足 医学良好生物相容性的钛合金非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种 五元系损伤容限中强钛合金。该钛合金通过对钛合金中各组分及含量的设 计，提高了钛合金的室温和高温强度和塑性性能，增强了钛合金的抗高温 氧化性，以及耐酸、耐盐腐蚀性能，该钛合金综合性能优于其它损伤容限 钛合金，且不含有对人体有害的V元素，提高了使用安全性，广泛应用于 电力工业、海洋环境和生物医疗领域。