一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法技术

一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法，本发明专利技术涉及一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有铸态钛合金强度低，与韧性不匹配的问题。本发明专利技术钛合金成分为Mo、Al、Zr、Nb、Cr、β稳定元素、余量为Ti；熔炼后在α+β/β相变点以下10～200℃进行0.5～2h固溶处理，再α+β/β相变点以下240～450℃进行2～24h时效处理，空冷至室温，即完成。本发明专利技术通过对β稳定元素含量的调控，和固溶时效热处理，合金显微组织中出现生长纳米孪晶，并且调整了α

【技术实现步骤摘要】
一种利用
β
稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法


[0001]本专利技术涉及一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法。

技术介绍

[0002]航天飞行器在航天领域的极端条件下工作，如高真空、超高温、超低温、高应力和强腐蚀。钛及其合金具有优异的综合性能，使其成为不可或缺的“飞行金属”。随着科学技术的发展，新一代飞机正朝着大规模、高速、多功能变化和能效的方向发展。这对钛合金的综合性能提出了更高的要求，逐渐从单一追求高强度或高疲劳性能发展到高强度、高韧性、高模量、低裂纹扩展率、良好的疲劳强度、抗损伤性等综合高性能。需要开发同时兼具高强度(抗拉强度高于1100MPa)和高韧性(断裂韧性高于60MPa
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)的钛合金。
[0003]然而，现有的高强度β钛合金往往存在强度、塑性和韧性匹配度低的明显问题，这是制约超高强韧钛合金快速发展的瓶颈。例如，在一定条件下，Ti
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3.5Al
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5Mo
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6V
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3Cr
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2Sn
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0.5Fe合金的抗拉强度为1700MPa，但该强度水平下的强度
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塑性匹配非常差，因此无法用于实际应用。对于结构材料，其强度和韧性是核心机械性能。然而，传统的金属强化和增韧方法，如固溶强化、变形强化和细晶粒强化，难以突破钛合金强度和塑性的倒转规律。突破强韧性之间的“倒”关系，是结构钛合金发展的永恒追求。
[0004]不同的元素及其含量对钛合金中α相及β相的含量、尺寸、形貌等都有很大的影响。目前的超高强韧钛合金而言，通过添加V元素或是通过调控热变形工艺参数制备高强度的β钛合金，但体系中含有V元素，具有较高的成本。合金经熔炼
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开坯锻造
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高温锻造
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固溶时效处理，流程较多，工艺复杂，成本较高，且不适用于钛合金复杂结构件。因此，研究一种铸态下高强韧钛合金已经成为钛合金发展的主要趋势，这为今后的航空航天领域厚大板材、棒材、丝材提供了组织性能更加优异的合金铸锭，进一步促进了高强韧钛合金在航空航天等领域的实际应用有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有铸态钛合金强度低，与韧性不匹配的问题，提出一种利用β稳定元素调控组织从而提高β钛合金强韧性的方法。
[0006]本专利技术一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法按以下步骤进行：一、配料：钛合金的成分按质量分数为：5～12％Mo、2～8％Al、2～8％Zr、1～6％Nb、1～5％Cr、0.1～3.5％β稳定元素、余量为Ti，按上述成分称取原材料；其中β稳定元素为Fe或Ta；
[0007]二、熔炼：将原材料放入坩埚内，然后抽真空，充入氩气进行保护熔炼，冷却后，得到钛合金铸锭；
[0008]三、热处理：将钛合金铸锭在α+β/β相变点以下10～200℃进行0.5～2h固溶处理，空冷至室温，在α+β/β相变点以下240～450℃进行2～24h时效处理，空冷至室温，即完成。
[0009]本专利技术通过利用β稳定元素，降低β转变温度，扩大β相区，改变α相(α
p
和α
s
)与β相的比例，从而调控显微组织。本专利技术采取了成本较低的Fe元素，在合金凝固过程中，由于β稳定
元素Fe的加入，在铸态组织中形成了生长纳米孪晶(生长纳米孪晶一般在铸造和热处理后的组织中出现，生长纳米孪晶的形成会提高合金的力学性能)。且本专利技术在相变点以下进行固溶处理，能够保留可以产生时效强化的亚稳定相，生成α
p
相(对合金韧性有利)，为合金获得较高的韧性打下了基础。时效处理的目的是为了获得高密度的α
s
相(对合金强度有利)，从而使合金获得较高的强度。并在热处理过程中由于β稳定元素Fe的加入也会改变α
p
、α
s
和β相(固溶时效时析出α
p
和α
s
相)的比例。
[0010]采用β同晶型元素Ta，在提高合金强韧性的同时，还能够提高合金的使用温度(Ta的熔点较高)。Ta元素的加入提高了β相的稳定性，在相变点以下进行固溶处理，改变了合金中α相(α
p
和α
s
)与β相的比例，因各相比例不同，α
p
(对合金韧性有利)、α
s
(对合金强度有利)，从而对合金的强韧性成功进行了调控。此外，Ta元素的加入也改变了合金的层错能，从而出现生长孪晶(孪晶的出现与层错能息息相关，且生长孪晶在钛合金中并不常见，钛合金中出现的孪晶一般为变形孪晶，孪晶的出现能够改善合金的力学性能)。
[0011]本专利技术的β钛合金采用Al和Zr元素对α相进行强化。Al是Ti中最主要的α稳定元素，可与Ti形成置换式固溶体，提高Ti的强度和耐热性，少量的Al不仅可进一步强化α相，还可以抑制淬火和时效过程中的ω相的形成；Zr的加入不仅能够强化合金的基体，且不会引起固溶体的有序化。与单独添加Al元素相比，Al和Zr同时加入会具有更高的耦合强化作用。Mo、Nb和Ta属于β同晶型元素，其晶格类型与β
‑
Ti相同，在β相中具有较大的固溶度或无限固溶，能稳定β相，降低相变点，能固溶强化β相。Cr、Fe为β共析型元素，与Mo、Nb元素结合，具有优异的β相稳定效应和固溶强化作用，能够保留较高的强化效果。Mo、Nb和Ta属于β同晶型元素，其晶格类型与β
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Ti相同，在β相中具有较大的固溶度或无限固溶，能稳定β相，降低相变点，能固溶强化β相。Cr为β共析元素，与Mo、Nb元素结合，能够保留较高的强化效果。
[0012]综上所述，通过β稳定元素的添加和固溶时效热处理的调节，本专利技术所获得的铸态钛合金与传统高强韧钛合金相比性能处于较高水平，并且本专利技术仅在铸态下经过固溶时效处理，不经过任何变形，制备方法简单，适用于工业化生产，并可为后续的热加工变形棒丝材或者厚板材的制备提供优质的合金铸锭。
[0013]本专利技术具备以下有益效果：
[0014]1、用成本低的Fe和Cr替代V元素，不仅降低了合金本身的成本，又能够降低因合金在凝固过程中在同一温度下固液成分不一致(液相总是含有比固相更多的β稳定元素)，而导致的铸锭中心和头部的β稳定元素的偏析，即β斑出现的倾向；
[0015]2、通过对β稳定元素含量的调控，和固溶时效热处理，合金显微组织中出现生长纳米孪晶，并且调整了α
s
和α
p
的相比例，达到了协调合金强韧匹配的目的，所述铸态钛合金热处理后的抗拉强度为1200～1300MPa，断裂韧性为70～80MPa
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[0016]3、本专利技术设计的高强韧β钛合金未经过任何的变形，仅铸造+固溶时效工艺就能在铸态下得到强度较高，韧性较好的性能，其力学性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：一、配料：钛合金的成分按质量分数为：5～12％Mo、2～8％Al、2～8％Zr、1～6％Nb、1～5％Cr、0.1～3.5％β稳定元素、余量为Ti，按上述成分称取原材料；其中β稳定元素为Fe或Ta；二、熔炼：将原材料放入坩埚内，然后抽真空，充入氩气进行保护熔炼，冷却后，得到钛合金铸锭；三、热处理：将钛合金铸锭在α+β/β相变点以下10～200℃进行0.5～2h固溶处理，空冷至室温，在α+β/β相变点以下240～450℃进行2～24h时效处理，空冷至室温，即完成。2.根据权利要求1所述的一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法，其特征在于，钛合金的成分按质量分数为：7％Mo、4％Al、4％Zr、3％Nb、2％Cr、0.5％Fe、余量为Ti。3.根据权利要求1所述的一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法，其特征在于，钛合金的成分按质量分数为：7％Mo、4％Al、4％Zr、3％Nb、2％Cr、1％Fe、余量为Ti。4.根据权利要求1所述的一种利用β稳定元素调控铸态高强韧钛合金的方法，其特征在于，钛合金的成分按质量分数为：7％Mo、4％Al、4％Zr、3％Nb、2％Cr、1.5％Fe、余量为Ti。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：方虹泽，李易励，陈瑞润，王琪，丁鑫，王亮，郭景杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：