[发明专利]一种高强高韧钛合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强高韧钛合金及其制备方法，在合金成分上选择添加Al、Mo、Cr、Zr、Fe和Sn合金元素，采取少量多元的合金强化策略，其中，Mo、Cr和Fe元素均能稳定β相并使合金固溶强化，同样，在加入Al元素强化α相的同时，加入中性元素Zr和Sn对α相进行强化，这样在牺牲较少塑性的情况下有效提高合金的屈服强度，该α+β钛合金的屈服强度大于1600MPa，同时兼具有5.4％的延性；更为重要的是，得益于Fe、Cr等元素的快扩散速率，锻造后空冷即可析出较为充分的αsubgt;s/subgt;相，使得合金获得高达1400MPa的屈服强度，同时保持大于8％的可观延伸率，而不需要任何后续热处理，因此满足新一代高强高韧钛合金的需求。

技术领域

本发明涉及钛合金制备方法，具体为一种高强高韧钛合金及其制备方法。

背景技术

钛合金具有高的比强度、高的耐腐蚀性、无磁性以及优异的强塑性匹配等特点，被广泛应用在石油化工、航海、航空航天等众多国民经济领域。当前常用的结构钛合金具有较高的强度，如Ti-1023和Ti-5553等钛合金的屈服强度在1000～1150MPa(抗拉强度在1100～1250MPa)，这已经被用于飞机起落架和机翼等承载部位。这类钛合金的强化一般通过初生微米级α_p颗粒和时效析出大量的纳米级次生α_s相实现高强与高韧的匹配。

然而，随着日益严苛的服役环境，对合金的力学性能提出了更为严格的要求。高β稳定元素含量的钛合金被引入，期望提升钛合金中α和β相的强度，以协同增加合金的强韧性。例如第一个在工业中应用的是Ti-13V-11Cr-3Al亚稳β钛合金，其室温拉伸强度达到1350MPa，后来又开发了可冷成型的板材钛合金Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn以及用于弹簧和紧固件的Ti-8V-6Cr-4Mo-3A1-4Zr等亚稳β型高强钛合金。尽管此类合金可以获得较为优异的强塑性，但通常包含大量昂贵的V元素，这显著增加了合金成本。另一方面，由于V元素的扩散速率较为缓慢，因此需要较长时间的后续热处理以析出足量的此生α_s相，这不仅增加了能耗，而且延长了交付时间。

因此，为了进一步降低能源消耗，秉承绿色可持续发展理念以及航空航天更加轻量化的要求，开发新一代高强高韧钛合金成为亟需解决的关键问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高强高韧钛合金及其制备方法，该钛合金的制备成本低，且能够有效提升合金的屈服强度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高强高韧钛合金，按重量百分比计，包括4.6～5.3％的Al，1.5～2.5％的Mo，4.5～5.5％的Cr，3.5～4.5％的Zr，0.5～1.5％的Fe，0.5～1.5％的Sn，余量为Ti及其它一些不可避免的杂质。

一种高强高韧钛合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照质量百分比，将4.6～5.3％的Al，1.5～2.5％的Mo，4.5～5.5％的Cr，3.5～4.5％的Zr，0.5～1.5％的Fe，0.5～1.5％的Sn，余量为Ti的元素混合均匀；

步骤2、在氩气气氛下，对步骤1形成的合金混合物进行多次熔炼，冷却后得到铸锭；

步骤3、将铸锭高温均质化处理；

步骤4、对步骤3得到的铸锭从单相区多道次热锻至双相区，累计锻造变形量为50～90％，锻造完成后冷却至室温；

步骤5、将热锻后的铸锭在两相区进行时效处理，得到高强态α+β双相钛合金。

优选的，步骤2中所述熔炼的方法如下：