CN112593118A - 一种具有{332}<113>孪生诱发塑性效应的β型Ti-Mo-Nb-Fe合金 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钛合金材料领域，提供了一种具有{332}<113>孪生诱发塑性效应的Ti‑Mo‑Nb‑Fe合金，其合金成分的质量百分比为Mo：6.0～9.0％，Nb：1.0～10.0％，Fe：0.5～2.0％，Ti：余量。该合金经过900℃固溶处理1小时，水冷，得到了全β单相组织。压缩变形后，合金中具有大量的{332}<113>孪晶产生。该合金具有高强塑积和良好的加工硬化能力的特点。该发明的益处在于发展了一种具有{332}<113>孪生诱发塑性效应的β钛合金，兼具高的强塑积和良好的加工硬化能力。有望用于装甲防护材料领域，满足地面装甲的轻量化和提高安全性的需要。

Description

一种具有{332}＜113＞孪生诱发塑性效应的β型Ti-Mo-Nb-Fe 合金
技术领域
本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及到一种具有{332}＜113＞孪生诱发塑性效应的β型Ti-Mo-Nb-Fe合金，该合金在室温条件下以准静态应变速率(10-3s-1)压缩变形的过程中产生{332}＜113＞孪生诱发塑性效应，使得合金同时具有高的强塑积和良好的加工硬化能力，有望用于装甲防护材料领域，满足地面装甲的轻量化和提高安全性的需要。
背景技术
当前，随着反装甲威胁的日益增加，防护装甲也越来越多，越来越厚，这导致地面装甲车的重量大幅增加，严重影响到其机动性和灵活性。钛合金由于其具有密度低、比强度高和抗冲击等良好的综合性能，成为新一代防护装甲的优选材料，与传统的装甲钢相比，可以使装甲质量减重25～60％。然而传统结构用钛合金虽然具有高的强度，但其塑性变形能力较差，这在一定程度上限制了钛合金在要求强塑性兼备的装甲防护材料领域的应用。
在众多钛合金中，β钛合金(bcc结构)具有优良的时效强化性和塑性变形方式多样性的特点，展现出较大的力学性能范围。其中，β钛合金的塑性变形方式与β相稳定性密切相关。随着β相稳定性由低到高，依次发生应力诱发α”马氏体相变、{332}＜113＞孪生和位错滑移。由于马氏体相变的临界分切应力较低，合金以应力诱发α”马氏体相变主导塑性变形时，通常具有较低的屈服强度，但具有较好的塑性变形能力，将此称为相变诱发塑性(TRIP,transformation-induced plasticity)效应；合金以位错滑移进行塑性变形时，显示出较高的屈服强度，但其塑性变形能力及加工硬化能力较差；而当合金以{332}＜113＞孪生主导塑性变形时，合金具有较高的强度，较好的塑性变形能力和加工硬化能力，将此称为孪生诱发塑性(TWIP,twinning-induced plasticity)效应。此外，TWIP型钛合金还具有很好的抗冲击能力。因此，开发高性能TWIP型钛合金成为新一代装甲防护用钛合金的发展方向。
目前普遍应用的传统钛合金存在较差的强塑性匹配和有限的加工硬化能力两大不足，这一定程度上限制了钛合金在装甲防护材料领域的广泛应用。因此，本发明希望通过适当的成分设计获得一种具有{332}＜113＞孪生诱发塑性效应的高强塑积、良好加工硬化能力的新型β钛合金。
发明内容
本发明的目的是针对现有结构钛合金较差的强塑性匹配和有限的加工硬化能力的两大不足，提供了一种具有{332}＜113＞孪生诱发塑性效应的β钛合金，该钛合金具有高的强塑积和良好的加工硬化能力的特点。
本发明采用的技术方案是：
一种具有{332}＜113＞孪生诱发塑性效应的β型Ti-Mo-Nb-Fe合金，其特征在于：所述β钛合金包括Ti、Mo、Nb、Fe元素，其合金成分的质量百分比为Mo：6.0～9.0％，Nb：1.0～10.0％，Fe：0.5～2.0％，Ti：余量。
上述合金中优选成分的质量百分比为Mo：7.62～7.90％，Nb：2.55～9.83％，Fe：1.48～1.53％，Ti：余量。
实现上述技术方案的构思是：传统钛合金有限的塑性变形能力及较差的加工硬化能力，特别是强塑性难以兼备，这一定程度上限制了钛合金在装甲防护材料领域内的广泛应用。具有孪生诱发塑性效应的β钛合金为我们提供了良好的思路。因此，本发明旨在开发出一种具有{332}＜113＞孪生诱发塑性效应的β钛合金，具有良好的强塑性匹配和较好的加工硬化能力。传统上，人们通常采用“盲目试错法”的经验指导新材料的研发，导致研发周期及研发成本较大。为了提高新材料的研发效率及降低研发成本，我们利用自主研创的“团簇+连接原子”结构模型来设计本发明Ti-Mo-Nb-Fe合金成分。该模型由团簇和连接原子两部分组成，并能将合金成分式表达为[团簇](连接原子)x。x表示连接原子个数，在对β钛合金研究中确定了连接原子个数x＝3，且14个Ti原子占据团簇部分的第一壳层形成CN14菱形十二面体。因此，在本发明的Ti-Mo-Nb-Fe合金体系中，Mo、Fe和Ti的混合焓为负，与Ti原子间具有较强的交互作用，故Mo和Fe原子占据团簇部分的心部位置；Nb和Ti的混合焓为正，Nb原子与Ti原子间具有较弱的交互作用，故Nb原子可替代连接原子位置的Ti原子。由此，给定Ti-Mo-Nb-Fe合金的团簇成分式为[MoxFey-Ti14]NbmTin，x+y＝1，m+n＝3。在此基础上，通过对合金的力学性能及微观组织进行系统的研究，对团簇成分式进行修正，以此实现合金成分的优化设计。
本发明的制备方法如下：高纯元素按照质量百分比合金成分进行配比；利用真空电弧炉在Ar气保护下对配制的合金原料进行多次熔炼，使合金成分均匀，得到合金铸锭；合金铸锭放在真空热处理炉中进行固溶处理(900℃，1h)，水冷；采用线切割从母合金锭取出直径为3mm，高度为5mm的压缩试样，利用UTM4204X电子试验机进行压缩性能测试(应变速率2.08×10-3s-1)；利用OM观察合金铸锭的原始组织及变形组织。
基于合金的力学性能及变形方式的综合分析，优化出合金的成分范围为Mo：7.62～7.90％，Nb：2.55～9.83％，Fe：1.48～1.53％，Ti：余量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明是一种具有{332}＜113＞孪生诱发塑性效应的β钛合金，该合金具有高强塑积(30～40GPa·％)和良好的加工硬化能力(加工硬化区间400～500MPa)的特点。
本发明的有益效果是：1)开发出一种具有{332}＜113＞孪生诱发塑性效应的β型钛合金，其合金成分的质量百分比为Mo：6.0～9.0％，Nb：1.0～10.0％，Fe：0.5～2.0％，Ti：余量。2)Mo元素含量较少，并添加了价格较为低廉的Fe元素，降低了熔炼成本及元素成本；其它合金元素的添加，提升了合金的力学性能；3)通过团簇合金设计模型，有效提高了新材料研发效率，降低了研发成本，合金具有{332}＜113＞孪生诱发塑性效应，同时又具有高强塑积和良好的加工硬化能力，有望用于装甲防护材料领域，满足地面装甲的减重和提高安全性的需要。
附图说明
图1是Ti88.02Mo7.90Nb2.55Fe1.53合金压缩真应力-应变以及加工硬化率曲线。
图2是Ti88.02Mo7.90Nb2.55Fe1.53合金微观组织图，(a)固溶处理后原始组织图；(b)压缩变形8％时的变形组织图。
图3是Ti81.07 Mo7.62Nb9.83Fe1.48合金压缩真应力-应变以及加工硬化率曲线。
图4是Ti81.07 Mo7.62Nb9.83Fe1.48合金微观组织图，(a)固溶处理后原始组织图；(b)压缩变形8％时的变形组织图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1Ti88.02Mo7.90Nb2.55Fe1.53(wt.％)合金
(1)合金制备：Ti88.02Mo7.90Nb2.55Fe1.53(wt.％)合金，此成分源自团簇合金式[Fe0.25Mo0.75-Ti14]Ti2.75Nb0.25。Ti、Mo、Nb和Fe高纯元素按照质量百分比合金成分进行配比；利用真空电弧炉在Ar气保护下对配制的合金原料进行多次熔炼，使合金成分均匀，得到合金锭。
(2)固溶处理：将步骤(1)制备的合金铸锭放在真空热处理炉中进行固溶处理(900℃，1h)，水冷，即得到Ti88.02Mo7.90Nb2.55Fe1.53(wt.％)合金。
(3)力学性能测试：将合金锭用线切割加工取出直径为3mm,高度为5mm的压缩试样，将两端面精车。利用UTM4204X电子试验机对合金进行压缩性能测试，应变速率2.08×10-3s-1。结果表明该合金具有高强塑积(30GPa·％)和良好的加工硬化行为(加工硬化区间440MPa)(图1)。
(4)显微组织观察：通过电火花线切割从固溶处理后的合金铸锭中切取尺寸为10×10mm的样品。另外，以步骤(3)中同样的应变速率将压缩试样压缩至真应变达8％时卸载，通过标准金相制备方法制备金相样品，通过金相显微镜分别观察固溶处理后原始组织(图2a)以及压缩试样纵截面的变形组织(图2b)。分析表明该合金在固溶态时是由单一的β相晶粒组成，而该合金在室温下的塑性变形方式由{332}＜113＞主导，这导致合金具有上述优良的力学性能。
实施例2Ti81.07Mo7.62Nb9.83Fe1.48(wt.％)合金
(1)合金制备：Ti81.07Mo7.62Nb9.83Fe1.48(wt.％)合金，此成分源自团簇合金式[Fe0.25Mo0.75-Ti14]Ti2Nb1。Ti、Mo、Nb和Fe高纯元素按照质量百分比进行配比；利用真空电弧炉在Ar气保护下对配制的合金原料进行多次熔炼，使合金成分均匀，得到合金锭。
(2)固溶处理：将步骤(1)制备的合金铸锭放在真空热处理炉中进行固溶处理(900℃，1h)，水冷，即得到Ti81.07Mo7.62Nb9.83Fe1.48(wt.％)合金。
(3)力学性能测试：将母合金锭用线切割加工取出直径为3mm,高度为5mm的压缩试样，将两端面精车。利用UTM4204X电子试验机对合金进行压缩性能测试，应变速率2.08×10-3s-1。力学性能结果表明该合金具有高强塑积(40GPa·％)和良好的加工硬化行为(加工硬化区间500MPa)(图3)。
(4)显微组织观察：通过电火花线切割从固溶处理后的合金铸锭中切取尺寸为10×10mm的样品。另外，以步骤(3)中同样的应变速率将压缩试样压缩至真应变达8％时卸载，通过标准金相制备方法制备金相样品，通过金相显微镜分别观察固溶处理后原始组织(图4a)以及压缩试样纵截面的变形组织(图4b)。显微组织分析表明该合金在固溶态时是由单一的β相晶粒组成，而该合金在室温下的塑性变形方式由{332}＜113＞主导，这导致合金具有上述优良的力学性能。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，凡是根据本发明的技术实质，对以上揭示的发明内容做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有{332}<113>孪生诱发塑性效应的β型Ti-Mo-Nb-Fe合金，其特征在于：所述的β型Ti-Mo-Nb-Fe合金包括Ti、Mo、Nb、Fe元素，其合金成分的质量百分比为Mo：6.0～9.0％，Nb：1.0～10.0％，Fe：0.5～2.0％，Ti：余量。
2.根据权利要求1所述的具有{332}<113>孪生诱发塑性效应的β型Ti-Mo-Nb-Fe合金，其特征在于：所述的β型Ti-Mo-Nb-Fe合金中元素质量百分比为Mo：7.62～7.90％，Nb：2.55～9.83％，Fe：1.48～1.53％，Ti：余量。
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