CN112391558A

CN112391558A - 一种强度与塑性匹配良好的近β型钛合金及其制备方法

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Publication number: CN112391558A
Application number: CN202011345468.6A
Authority: CN
Inventors: 赵秦阳
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-02-23
Anticipated expiration: 2040-11-25
Also published as: CN112391558B

Abstract

本发明公开了一种强度与塑性匹配良好的近β型钛合金及其制备方法，属于钛合金领域。本发明的制备方法，烧结后合金中的中等大小晶粒在单相区经镦拔开坯后晶粒破碎细化。而后进行的轧制棒材利用合金高氧含量带来的较高相变点在相变点下进行一步准β轧棒，再次破碎晶粒，借助热力耦合作用下第二相的动态析出及部分再结晶实现非均匀晶粒和多级分层第二相的协调组织。非均匀混晶包含超细β晶粒和粗β晶粒，多级分层第二相包含层状初生α相、条状晶界α相和β转变组织。短时热处理后，非均匀混晶组织得以保留，多级分层第二相则通过析出的细针状α相由三元增加到四元，合金在具有高强度的同时保持良好的塑性。

Description

一种强度与塑性匹配良好的近β型钛合金及其制备方法

技术领域

本发明属于钛合金领域，尤其是一种强度与塑性匹配良好的近β型钛合金及其制备方法。

背景技术

钛合金作为近20年来快速发展的新型轻质金属材料，具有强度、模量、可焊、耐蚀、生物相容等优良综合性能，成为现代航空飞机、航空发动机、航天、船舶等的主要结构材料。随着飞机、发动机、航天等发展，不仅要求钛合金的强度水平不断提高，要求合金的塑性也要保持在一定的水平，即强度和塑性要达到良好的匹配。

近些年来，为了使钛合金强度达到1300MPa以上、延伸率高于5％，采用的办法主要有设计近β型钛合金成分、反复镦拔锻造、多重热处理等，但制造方法成本过高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中制备强度与塑性匹配良好的近β型钛合金工艺繁琐、成本过高的缺点，提供一种强度与塑性匹配良好的近β型钛合金及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种强度与塑性匹配良好的近β型钛合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、采用粉末冶金方法制备出近β型钛合金的合金铸锭，将所述合金铸锭镦拔开坯锻造，轧制成合金棒材；

步骤2、将所述合金棒材在600～700℃的温度下保温1h，冷却至室温，得到强度与塑性匹配良好的近β型钛合金。

进一步的，以质量百分比计，步骤1中合金铸锭的组分为，5％Al、5％Mo、5％V、3％Cr和0.36％O，剩余为Ti和不可避免的杂质。

进一步的，步骤1中合金棒材的直径不超过11.5mm。

进一步的，步骤2中冷却方式为空冷。

本发明的制备方法得到的强度与塑性匹配良好的近β型钛合金。

进一步的，所述近β型合金的组织呈层状非均质多级第二相。

进一步的，抗拉强度R_m为1355～1700MPa，屈服强度R_p0.2为1295～1639.7MPa，延伸率A₅为7.1％～12.2％，断面收缩率Z＝18.5％～31.7％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的强度与塑性匹配良好的近β型钛合金的制备方法，采用低成本粉末冶金加工方法制备合金铸锭，在600～700℃的温度下进行一步热处理，热处理步骤、时间及温度的均减少。本发明的制备方法，充分利用发明中改良的近β型钛合金的粉末冶金成型工艺与高氧含量特征，通过低成本热加工及短流程热处理，实现对合金微观组织的调控，进而得到优化的强度与塑性匹配。粉末冶金工艺烧结后合金中的中等大小晶粒在单相区经镦拔开坯后晶粒进一步破碎细化，通过大范围的回复与再结晶实现合金均匀化并具有全等轴β晶粒。而后进行的轧制棒材利用合金高氧含量带来的较高相变点在相变点下进行一步准β轧棒，再次破碎晶粒，并借助热力耦合作用下第二相的动态析出及部分再结晶实现非均匀晶粒和多级分层第二相的协调组织。非均匀混晶包含超细β晶粒和粗β晶粒，多级分层第二相主要包含层状初生α相、条状晶界α相和β转变组织。短时热处理后，非均匀混晶组织得以保留，多级分层第二相则通过析出的细针状α相由三元增加到四元，从而使高氧含量的八面体间隙固溶强化作用更加显著，合金能通过非均匀混晶组织和多级分层第二相吸收和协调变形，使合金在具有高强度的同时保持良好的塑性。本发明的工艺与当下普遍使用的多道次的热锻造+高温固溶+时效的加工及热处理工艺相比，制造成本与工艺时长明显降低，热处理后的合金获得优良的高强度、塑性的良好匹配。

本发明的近β型钛合金，强度与塑性匹配良好，具有综合的力学性能。

附图说明

图1为实施例1的微观组织图；

图2为实施例2的微观组织图；

图3为实施例3的微观组织图；

图4为实施例4的微观组织图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

实施例1制备近β型钛合金包括以下步骤：

步骤一、采用粉末冶金方法制备出近β型钛合金铸锭，近β型钛合金铸锭的组分为，以质量百分比计，5％Al、5％Mo、5％V、3％Cr和0.36％O，剩余为Ti和不可避免的杂质，将合金铸锭镦拔开坯锻造后，轧制成φ11.5mm的棒材；

步骤二、将合金棒材在600℃加热保温1h，然后空冷至室温，得到强度与塑性良好匹配的近β型钛合金。

参见图1，图1为实施例1的热处理后的近β型钛合金的微观组织图从图1可以看出，经过热处理后合金呈现层状非均质多级第二相的组织的特征。其中非均匀混晶包含超细β晶粒和较粗β晶粒，多级分层第二相主要包含层状初生α相、条状晶界α相、细针状二次α相和β转变组织中的三次α相。在600℃条件下，层状结构间隙较宽，初生α相呈现近等轴形态，细针状二次α相的尺寸较小。

将实施例1的热处理后的近β型钛合金室温拉伸力学性能测试，测试结果为：抗拉强度R_m＝1700MPa，屈服强度R_p0.2＝1639.7MPa，延伸率A₅＝5.9％，断面收缩率Z＝18.5％，表明实施例1的热处理后的近β型钛合金具有良好的强度和塑性。

实施例2

实施例2制备近β型钛合金包括以下步骤：

步骤一、采用粉末冶金方法制备出近β型钛合金的合金铸锭，近β型钛合金铸锭的组分为，以质量百分比计，5％Al、5％Mo、5％V、3％Cr和0.36％O，剩余为Ti和不可避免的杂质；将合金铸锭镦拔开坯锻造后，轧制成φ11.5mm的棒材；

步骤二、将合金棒材在630℃加热保温1h，然后空冷至室温，得到强度与塑性良好匹配的近β型钛合金。

参见图2，图2为实施例2的热处理后的近β型钛合金的微观组织图，从图2可以看出，经过热处理后合金呈现层状非均质多级第二相的组织的特征。其中非均匀混晶包含超细β晶粒和较粗β晶粒，多级分层第二相主要包含层状初生α相、条状晶界α相、细针状二次α相和β转变组织中的三次α相。在630℃条件下，层状结构间隙缩小，初生α相的比例提高、从600℃的近等轴形态变为短条状，细针状二次α相也发生粗化。

将实施例2的热处理后的近β型钛合金室温拉伸力学性能测试，测试结果为：抗拉强度R_m＝1594MPa，屈服强度R_p0.2＝1534MPa，延伸率A₅＝7.1％，断面收缩率Z＝22.2％，表明实施例2的热处理后的近β型钛合金具有良好的强度和塑性。

实施例3

实施例3制备近β型钛合金包括以下步骤：

步骤一、采用粉末冶金方法制备近β型钛合金的合金铸锭，近β型钛合金铸锭的组分为，以质量百分比计，5％Al、5％Mo、5％V、3％Cr和0.36％O，剩余为Ti和不可避免的杂质，将合金铸锭镦拔开坯锻造后，轧制成φ11.5mm的棒材；

步骤二、将合金棒材在660℃加热保温1h，然后空冷至室温，得到强度与塑性良好匹配的近β型钛合金。

参见图3，图3为实施例3的热处理后的近β型钛合金的微观组织图，从图3可以看出，经过热处理后合金呈现层状非均质多级第二相的组织的特征。其中非均匀混晶包含超细β晶粒和较粗β晶粒，多级分层第二相主要包含层状初生α相、条状晶界α相、细针状二次α相和β转变组织中的三次α相。在660℃条件下，层状结构间隙进一步显著缩小，初生α相的比例继续提高、从630℃的短条状变为连续条状，且细针状二次α相发生明显粗化。

将实施例3的热处理后的近β型钛合金室温拉伸力学性能测试，测试结果为：抗拉强度R_m＝1490MPa，屈服强度R_p0.2＝1422MPa，延伸率A＝9.2％，断面收缩率Z＝24.1％，表明实施例3的热处理后的近β型钛合金具有良好的强度和塑性。

实施例4

实施例4制备近β型钛合金包括以下步骤：

步骤二、将合金棒材在700℃加热保温1h，然后空冷至室温，得到强度与塑性良好匹配的近β型钛合金。

参见图4，图4为实施例4的热处理后的近β型钛合金的微观组织图，从图4可以看出，经过热处理后合金呈现层状非均质多级第二相的组织的特征。其中非均匀混晶包含超细β晶粒和较粗β晶粒，多级分层第二相主要包含层状初生α相、条状晶界α相、细针状二次α相和β转变组织中的三次α相。在700℃条件下，条带状初生α相的比例继续提高、细针状二次α相发生显著粗化，且细针状二次α相呈多方向生长模式，初生α相与次生α相的界限变得模糊。

将实施例4的热处理后的近β型钛合金室温拉伸力学性能测试，测试结果为：抗拉强度R_m＝1355MPa，屈服强度R_p0.2＝1295MPa，延伸率A₅＝12.2％，断面收缩率Z＝31.7％，表明实施例4的热处理后的近β型钛合金具有良好的强度和塑性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种强度与塑性匹配良好的近β型钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的强度与塑性匹配良好的近β型钛合金的制备方法，其特征在于，以质量百分比计，步骤1中合金铸锭的组分为，5％Al、5％Mo、5％V、3％Cr和0.36％O，剩余为Ti和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的强度与塑性匹配良好的近β型钛合金的制备方法，其特征在于，步骤1中合金棒材的直径不超过11.5mm。

4.根据权利要求1所述的强度与塑性匹配良好的近β型钛合金的制备方法，其特征在于，步骤2中冷却方式为空冷。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的制备方法得到的强度与塑性匹配良好的近β型钛合金。

6.根据权利要求5所述强度与塑性匹配良好的近β型钛合金，其特征在于，所述近β型合金的组织呈层状非均质多级第二相。

7.根据权利要求5所述强度与塑性匹配良好的近β型钛合金，其特征在于，抗拉强度R_m为1355～1700MPa，屈服强度R_p0.2为1295～1639.7MPa，延伸率A₅为7.1％～12.2％，断面收缩率Z＝18.5％～31.7％。