[发明专利]高强度高韧性钛合金

说明书

本发明与高强度高韧性钛基合金有关。具体地说，本发明涉及含有钼和钒、铬和/或铁、铝、锆的钛基合金。

作为现代技术使用的钛合金结构材料，除应具有高的强度外，还必须兼有良好的延性和足够高的断裂韧性。强度虽高而断裂韧性差的合金，在应力作用下，往往由于微小裂纹的存在及失稳而导致破坏，使用起来是不安全的。因此，对一种新的优异的结构材料的要求，或者是在给定的强度下具有比其它钛结构材料更高的韧性，或者是在给定韧性值的情况下，具有比其它钛结构材料更高的强度。同时，还应具有良好的可加工性及深硬化性，以便即使加工成厚截面制品，经热处理后，整个截面上仍可均匀地获得高强度。

在此之前，美国专利US 3 802 877提出了基本成分为含有（重量百分比）6.3-11.0%V、1.75-3.3%Al、0.75-2.25%Fe（Fe与Al含量之比不大于1∶1）、不大于2.25%Sn、不大于2.25%Cr（Cr可取代等量的钒）、不大于1.25%Co（Co可取代等量的Fe）、不大于2.25%Zr（Al加 1/2 Zr量的总和在2.25-3.25%之间）、不大于0.2%O₂，余量为钛的高强度钛基合金。美国波音公司已将名义成份为Ti-10V-2Fe-3Al的合金锻件用于波音757飞机上。按照波音公司的标准（BMS7-260），Ti-10V-2Fe-3Al合金的主要性能为：σb≥1236MPa，σ_0.2≥1098MPa，δ（4D）≥4%，K_1C≥44MN·m^-3/2。由上述指标可见，该合金的强度高，但延性和韧性还不够高。此外，C.C.Chen等人在《第四届国际钛会议文集：1980年钛的科学与技术》（Titanium′80    Science    and    Technology∶Proceedings    of    the    Fourth    International    Conference    on    Titanium.1980）1981年第1卷第457页报导了对该合金的研究。文中指出，Ti-10V-2Fe-3Al合金容易产生铁的宏观及微观偏析，造成锻件性能的不稳定性，必须对该合金的真空熔炼工艺采用特殊的方法，以避免或减轻其偏析。

在本技术领域中众所周知，在钛基合金中添加β稳定元素，经过热处理能获得高强度。合金的热处理性和硬化深度随合金淬火到室温后保留的β相的量成比例地提高。中华人民共和国国标GB3620-83所公布的TB2钛合金，其组成为（重量百分数）：4.7-5.7%Mo，4.7-5.7%V，7.5-8.5%Cr，2.5-3.5%Al，除不可避免的杂质外，其余为钛。由于该合金含有较多量的β稳定元素，在单相区加热后，无论是水淬或空冷，β相都可全部保留到室温，因而该合金在单相区固溶处理后有良好的冷成型性，冷成型后可时效到高强度，所以TB2合金是适于制作板材、箔材和线材的高强度高韧性亚稳定β钛合金。但以这种合金制作锻件时，锻造抗力较大，需在大于1000℃的高温下锻造。对于中、大型锻件，即使在高温下锻造，也难于保证在整个截面上获得足够的变形量，以致锻件的组织粗大，拉伸延性偏低。此外，该合金的机加工性能较差。

苏联的R.E.Shalin等人在《第四届国际钛会议文集，1980年钛的科学与技术》（Titanium′80    Science    and    Technology∶Proceedings    of    the    FourthInternational Conference on Titanium，1980），1981年第2卷第1265-1275，报导了正在研制中的BT19钛合金的一些情况。文中介绍了BT19钛合金自动氩弧焊焊缝金属枝状晶中心区含有6.7%Mo，3.2%V和4.8%Cr;其枝晶之间的区域含5.0%Mo，3.4%V，和6.4%Cr。并报导了所得的试验室性能：σ_b＝1520MPa、K_1C＝65.1-69.7MN·m^-3/2。但文中对BT19钛合金的正式组分与含量、熔炼、加工和热处理等工艺均未披露。

本发明的目的是提供一组高强度高韧性钛基合金，与上面提到的TB2或Ti-10V-2Fe-3Al合金相比，这类合金在保持相当的强度和较好的深硬化性的同时，具有更高的断裂韧性和良好的延性。或者，在保持相当的韧性值时，具有更高的强度。本发明的另一个目的是，所提供的高强度高韧性钛基合金，有好的可锻性和机加工性。