CN109971999A - 一种1500MPa级超高强、中韧钛合金 - Google Patents

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周伟
李倩
李磊
张思远
蔡建华
陈军
毛小南
赵永庆
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Abstract

本发明公开了一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％～5.5％，Mo和V总计6％～10％且Mo/V的质量百分含量比值为1～1.7，Cr 1％～3％，Fe不超过0.8％，Zr 1％～3％，Nb 1％～2％，余量为Ti和不可避免的杂质；超高强、中韧钛合金经固溶时效热处理后的抗拉强度Rm≥1500MPa，延伸率A≥6％，断裂韧性KIC≥40MPa·m1/2。本发明的钛合金加入Mo和V并控制Mo/V的质量百分含量比为1～1.7，在强化β钛合金的同时保持高塑性，抑制了因添加Al、Fe和Cr等元素后发生的包析或共析反应，避免了β钛合金的塑性受损。

Description

一种1500MPa级超高强、中韧钛合金
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种1500MPa级超高强、中韧钛合金。
背景技术
β钛合金由于其优越的比强度等综合性能在航空工业中获得了越来越多的应用。上个世纪60年代，美国开发的高强β钛合金Ti-13V-11Cr-3Al成功用于SR-71侦察机。此后，美国开发的Ti-38644、Ti-1023、Ti-15-3、Ti-17以及前苏联开发的BT22为代表的高强β钛合金也获得了成熟应用。
作为航空锻件应用时，目前已有的β钛合金棒材一般用于1000MPa～1200MPa的强度水平，断裂韧性在40MPa.m1/2～60MPa.m1/2之间。最近几年，国外对具有更高强度水平的可用于航空大型结构件的超高强钛合金的研究非常重视。美国和俄罗斯等在VT22合金的基础上改进设计了适合1300MP级使用的Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)合金及VST-55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)合金。然而高强度的同时带来了塑、韧性的损失，进一步提高其强度受到韧性及塑性的限制。以Ti-5553钛合金为例，当其抗拉强度1500MPa时，塑性、韧性会急剧下降，难以实际应用。我国对以四代机为代表的高性能飞机的研发工作极其重视，开发能满足需要的高性能材料就是首当其冲的任务，因此超高强度钛合金的开发工作将是未来的几年内钛合金研究的一个热点。为了满足未来高性能飞行器对高比强度结构钛合金的需求，有必要开展1500MPa级新型超高强、中韧性钛合金的研究。
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1500MPa级超高强、中韧钛合金。该钛合金加入Mo和V并控制Mo/V的质量百分含量比值为1～1.7，在强化β钛合金的同时使其保持较高的塑性，显著提高了β钛合金的淬透性，抑制了因添加Al、Fe和Cr等元素后可能发生的包析或共析反应，避免了β钛合金的塑性受到损失。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％～5.5％，Mo和V总计6％～10％且Mo/V的质量百分含量比值为1～1.7，Cr 1％～3％，Fe不超过0.8％，Zr 1％～3％，Nb1％～2％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述超高强、中韧钛合金经固溶时效热处理后的抗拉强度Rm≥1500MPa，延伸率A≥6％，断裂韧性KIC≥40MPa·m1/2。
上述的一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％，Mo 5％，V 5％，Cr 1％，Zr 3％，Nb 2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.5％，Mo 3％，V 3％，Cr 3％，Fe 0.8％，Zr 1％，Nb 1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5％，Mo 5％，V 3％，Cr 2％，Fe 0.5％，Zr 2％，Nb 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4％，Mo 6％，V 4％，Cr 1％，Zr 3％，Nb 2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本发明将Mo和V以置换固溶体方式大量溶进β钛合金中，轻微减小了其晶格参数，在强化β钛合金的同时使其保持较高的塑性，通过控制Mo/V的质量百分含量比值为1～1.7，显著提高了β钛合金的淬透性，另外，Cr元素对于提高钛合金韧性有利，但容易形成金属化合物导致脆性，Mo和V的加入以及加入量大大抑制了因添加Al、Fe和Cr等元素后可能发生的包析或共析反应，不易形成脆性金属间化合物，避免了β钛合金的塑性受到损失；另外，本发明钛合金中少量的Fe元素可与中性元素Zr形成少量ZrFe2相，起到辅助的强化作用。
本发明的1500MPa级超高强、中韧钛合金的制备方法具体过程为：根据需要选择中间合金按设计成分混合压制成电极，然后置于真空自耗电弧炉经三次熔炼成钛合金铸锭，钛合金铸锭经锻造后得到钛合金型材。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明将Mo和V以置换固溶体方式大量溶进β钛合金中，轻微减小了其晶格参数，在强化β钛合金的同时使其保持较高的塑性，通过控制Mo/V的质量百分含量比值为1～1.7，显著提高了β钛合金的淬透性，另外，Cr元素对于提高钛合金韧性有利，但容易形成金属化合物导致脆性，Mo和V的加入以及加入量大大抑制了因添加Al、Fe和Cr等元素后可能发生的包析或共析反应，不易形成脆性金属间化合物，避免了β钛合金的塑性受到损失。
2、本发明的钛合金中少量的Fe元素可与中性元素Zr形成少量ZrFe2相，起到辅助的强化作用，进一步提高了钛合金的强度。
3、本发明的超高强、中韧钛合金经固溶时效热处理后的抗拉强度Rm≥1500MPa，延伸率A≥6％，断裂韧性KIC≥40MPa·m1/2。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例的超高强、中韧钛合金的名义成分为Ti-4.5Al-5Mo-5V-1Cr-3Zr-2Nb，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％，Mo 5％，V 5％，Cr 1％，Zr 3％，Nb 2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的超高强、中韧钛合金的制备过程为：将铝钼合金、铝钒合金、金属铬、海绵锆、铝铌合金、铝豆和0级海绵钛按设计成分配料并混合压制成电极，经三次真空自耗电弧熔炼制备钛合金铸锭，钛合金铸锭在温度为1100℃～1180℃的条件下开坯锻造，然后在温度为790℃～810℃的条件下锻造得到成品，再经760℃/1.5hAC+540℃/4hAC热处理后其室温性能为：抗拉强度Rm＝1530MPa，延伸率A＝7％，断裂韧性KIC＝41.5MPa·m1/2。
实施例2
本实施例的超高强、中韧钛合金的名义成分为Ti-5.5Al-3Mo-3V-3Cr-1Zr-0.8Fe-1Nb，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.5％，Mo 3％，V 3％，Cr 3％，Fe 0.8％，Zr1％，Nb 1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的超高强、中韧钛合金的制备过程为：将铝钼合金、铝钒合金、钛铁合金、金属铬、海绵锆、铝铌合金、铝豆和0级海绵钛按设计成分配料并混合压制成电极，经三次真空自耗电弧熔炼制备钛合金铸锭，钛合金铸锭在温度为1100℃～1180℃的条件下开坯锻造，然后在温度为800℃～830℃的条件下锻造得到成品，再经800℃/1.5hAC+570℃/4hAC热处理后其室温性能为：抗拉强度Rm＝1580MPa，延伸率A＝6.5％，断裂韧性KIC＝40.5MPa·m1/2。
实施例3
本实施例的超高强、中韧钛合金的名义成分为Ti-5Al-5Mo-3V-2Cr-5Zr-0.5Fe-1Nb，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5％，Mo 5％，V 3％，Cr 2％，Fe 0.5％，Zr 2％，Nb 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的超高强、中韧钛合金的制备过程为：将铝钼合金、铝钒合金、钛铁合金、金属铬、海绵锆、铝铌合金、铝豆和0级海绵钛按设计成分配料并混合压制成电极，经三次真空自耗电弧熔炼制备钛合金铸锭，钛合金铸锭在温度为1100℃～1180℃的条件下开坯锻造，然后在温度为780℃～800℃的条件下锻造得到成品，再经780℃/1.5hAC+540℃/4hAC热处理后其室温拉伸性能为：抗拉强度Rm＝1510MPa，延伸率A＝6.0％，断裂韧性KIC＝40.3MPa·m1/2。
实施例4
本实施例的超高强、中韧钛合金的名义成分为Ti-4Al-6Mo-4V-1Cr-5Zr-2Nb，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4％，Mo 6％，V 4％，Cr 1％，Zr 3％，Nb 2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的超高强、中韧钛合金的制备过程为：将铝钼合金、铝钒合金、金属铬、海绵锆、铝铌合金、铝豆和0级海绵钛按设计成分配料并混合压制成电极，经三次真空自耗电弧熔炼制备钛合金铸锭，钛合金铸锭在温度为1100℃～1180℃的条件下开坯锻造，然后在温度为770℃～800℃的条件下锻造得到成品，再经770℃/1.5hAC+550℃/4hAC热处理后其室温拉伸性能为：抗拉强度Rm＝1510MPa，延伸率A＝7.5％，断裂韧性KIC＝42.3MPa·m1/2。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％～5.5％，Mo和V总计6％～10％且Mo/V的质量百分含量比值为1～1.7，Cr 1％～3％，Fe不超过0.8％，Zr 1％～3％，Nb 1％～2％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述超高强、中韧钛合金经固溶时效热处理后的抗拉强度Rm≥1500MPa，延伸率A≥6％，断裂韧性KIC≥40MPa·m1/2。
2.根据权利要求1所述的一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5％，Mo 5％，V 5％，Cr 1％，Zr 3％，Nb 2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.5％，Mo 3％，V 3％，Cr 3％，Fe 0.8％，Zr 1％，Nb 1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5％，Mo 5％，V 3％，Cr 2％，Fe 0.5％，Zr 2％，Nb 1.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种1500MPa级超高强、中韧钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 4％，Mo 6％，V 4％，Cr 1％，Zr 3％，Nb 2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
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