[发明专利]一种具有高强度的Ti-Cr-Zr-Mo-Al系钛合金及制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高强度的Ti‑Cr‑Zr‑Mo‑Al系钛合金及制备方法，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Al为2.5％～6.0％，Cr为1.5％～5.0％，Zr为1.4％～5.0％，Mo为2.0％～8.0％，O≤0.35％，余量为Ti和不可避免的其它杂质。将合金经过熔炼、锻造以及固溶、时效处理后可获得高强度同时兼具较好的塑性，又不易引起成分偏析，同时合金原料成本较低，在一定程度上降低了合金的生产制造成本。本发明合金满足了各工业领域对钛合金结构件高性能的需求，可被广泛用于航空、航天、汽车等工业领域。

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种具有高强度的Ti-Cr-Zr-Mo-Al系钛合金及制备方法。

背景技术

随着传统化石燃料的消耗，二氧化碳(CO₂)的排放所导致的温室效应和环境问题越来越引起人们的关注，世界各国都制定了严格的计划来限制传统化石燃料的使用及温室气体的排放。各种交通运输工具对化石燃料的消耗以及CO₂排放量不容忽视，交通运输工具的轻量化是减少化石燃料消耗和人为CO₂排放的关键。轻量化的主要方法是增加使用具有高比强度(强度重量比)的结构材料。高比强度材料能够减小构件尺寸和结构重量降低其加工制作、运输和安装成本。近年来，钛合金由于其具有优异的比强度、韧性和耐腐蚀性引起了极大的关注，例如波音787梦想客机使用约15％的钛合金，是中远程运输机中最省油的飞机之一。

近年来，国内外已经发展的高强度钛合金较少，同时往往通过添加较高含量的β稳定元素V和Mo来达到β稳定化和强化的目的，V元素价格非常昂贵，过多添加时会明显增加合金的原材料成本；而Mo元素熔点较高，过多添加时易引起成分偏析，从而导致加工制造能耗较大，同时合金成分和组织均匀性控制困难。例如，Arun等人利用TiH₂粉末烧结制备Ti185(Ti–1Al–8V–5Fe)其抗拉强度约为1600MPa，塑性约为5％，其制备工艺与传统钛合金制备工艺不同，工艺流程较为复杂；Mantri等人利用ω相辅助形核制备β-21S(Ti-15Mo-3Nb-2.7Al-0.2Si)其抗拉强度约为1880MPa，塑性约为4％，但其热处理时间达150h以上，生产制备时间较长，生产成本高不适合商业应用；Dong等人制备Ti-7333(Ti-7Mo-3Nb-3Cr-3Al)其抗拉强度约为1550MPa，塑性约为8％。

发明内容

针对目前常用的一些高强钛合金具有较高含量的V、Mo和Nb等元素导致成本高昂的缺点，本发明提出一种具有高强度的Ti-Cr-Zr-Mo-Al系钛合金，既有优异的力学性能，又不易引起成分偏析，同时具有低成本优势。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种具有高强度的Ti-Cr-Zr-Mo-Al系钛合金，按质量百分数计，包括2.5％～5.5％的Al，1.5％～4.0％的Cr为，1.4％～5.0％的Zr，3.0％～8.0％的Mo和小于0.35％的O，余量为Ti和不可避免的其它杂质。

优选的，所述钛合金的屈服强度Rp＝1550MPa～1820MPa，抗拉强度Rm＝1600MPa～1880MPa，延伸率A＝3％～10％。

一种具有高强度的Ti-Cr-Zr-Mo-Al系钛合金的制备方法，将各个原料按照上述百分比混合均匀后入炉进行多次熔炼获得成分均匀的铸锭，再将铸锭经过扒皮和切冒口后，进行跨β相区自由锻造，将锻造后的铸锭在两相区热处理，获得Ti-Cr-Zr-Mo-Al系钛合金。

优选的，所述熔炼过程中通入氩气，感应电流为350～450A，电流频率为20～25KHz，待合金完全熔化后继续保持15～20min。

优选的，所述自由锻造包括开坯锻造和跨β相区锻造。

优选的，所述开坯锻造的开坯温度为1100～1200℃，保温时间为90min。