CN117418137A - 一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域,涉及一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金及其制备方法。其特征在于:所述钛基多主元合金主要由BCC结构相组成,BCC结构相含量在95%以上,BCC相的平均晶粒尺寸在100μm以下;所述抗高速冲击钛基多主元合金的密度小于5.1g/cm3,动态冲击条件下强度达到1600MPa以上,冲击破坏的临界应变速率达到5000s‑1以上,吸收能达到650J/cm3,在新型航空航天结构件所需的极端高速冲击结构件上具有很好的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域,涉及一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金及其制备方法。
背景技术
传统高速冲击环境用的结构材料通常选用铁基合金,近年来,欧美等报道了导弹壳体、防弹结构等采用钛合金材料,这主要是由于钛合金的密度低、比强度较高,同时,具有较为优异的动态力学性能。替代传统的铁基合金能够实现显著的结构减重。
随着高端科技应用的进一步提升,在极端高速冲击环境下,现有的钛合金材料已经不能满足使用需要,因此,对新型轻质抗高速冲击材料有迫切需求。多主元合金是近10几年来发展出来的一类新型金属结构材料,TiZrHfNbTa等难熔多主元合金表现出了优异的抗动态冲击的性能,但是由于其密度较高,适用于作为破片材料,难以作为壳体材料。
钛基多主元合金是通过高熵合金的设计方法产生的一类新型钛基合金,其通常含有Ti、Al、Cr、Nb、V、Zr、Mo、Sn中的四种或以上元素作为主要元素,合金的室温强度和塑性匹配良好,合金成分精细化设计后,有望获得抗高速冲击、抗氧化等极端环境性能。
发明内容
本发明的目的是:针对新型航空航天结构件对轻质抗高速冲击材料的迫切需求,提供一种低密度、准静态条件下具有高强度且塑性良好、具有超高的动态力学性能的钛基轻质多主元合金及其制备方法。
为解决此技术问题,本发明的技术方案是:
一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金,所述钛基多主元合金主要由BCC结构相组成,BCC结构相含量在95%以上,BCC相的平均晶粒尺寸在100μm以下;所述抗高速冲击钛基多主元合金的密度小于5.1g/cm3,动态冲击条件下强度达到1600MPa以上,冲击破坏的临界应变速率达到5000s-1以上,吸收能可达到650J/cm3以上;所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量为:Ti:60%~75%、Al:10%~20%、V+Fe+Mo+Cr+Nb+Zr:11%~25%、余量为不可避免的杂质。
优选地,所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有:V+Fe+Mo+Cr+Nb+Zr在12%~22%范围内,其中至少有两种元素含量在5%及以上。
优选地,所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有:Al在10%~16%范围内。
优选地,所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有:V在5%~10%范围内。
优选地,所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有:Cr在5%~7.8%范围内。
优选地,所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有:Nb在5%~9.8%范围内。
所述的抗高速冲击的钛基轻质多主元合金的制备方法,具体包含以下步骤:
S1:将原材料通过真空自耗熔炼或凝壳熔炼或自耗+凝壳熔炼的方法获得合金铸锭;
S2:采用锻造、挤压、轧制等热机械处理方法,以制备出所需的坯料或锻件或结构件。
优选地,所述的抗高速冲击钛基轻质多主元合金的热机械处理方法,其中铸锭开坯阶段坯料的热加工温度控制在1000℃~1150℃,开坯阶段每火次变形量控制在75%以上,变形速率在0.5s-1~1.5s-1,开坯后平均晶粒尺寸控制在200μm以下;最终成形阶段坯料的热加工温度控制在800℃~900℃,变形量控制在95%以上,变形速率在0.01s-1~0.1s-1;可根据需要进行退火处理,最终获得平均晶粒尺寸100μm以下的合金材料。
通常传统钛合金的主导开坯工艺在β相区,终成形阶段在α+β两相区,组织细化均匀化相对容易;区别于传统钛合金,由于所述钛基多主元合金从1150℃以下均由单一β相(BCC结构)组成,无α相存在,单相β相在热加工过程中存在更大的晶粒长大倾向,按照传统钛合金的制造工艺难以实现本发明涉及的钛基多主元合金晶粒的细化和均匀化,而合金晶粒的细化和均匀化对抗高速冲击性能的影响很大。因此本发明基于所述钛基多主元合金的热变形特性,创新的设计了热机械处理工艺,该工艺范围内能够实现合金晶粒尺寸的细化和均匀化。
优选地,所述多主元合金铸锭中氧含量控制在0.07wt.%以下。
本发明的有益效果是:
(1)本发明提供的钛基轻质多主元合金,通过Ti、Al、及其它合金化元素的综合控制,使得合金在准静态条件下强度和塑性匹配良好,强塑积可达到9000MPa%以上;动态冲击条件下强度达到1600MPa以上,冲击破坏的临界应变速率达到5000s-1以上,吸收能可达到650J/cm3以上;现有钛合金的临界应变速率仅为3000s-1~4000s-1范围内,吸收能仅为350~500J/cm3。可见,本发明提供的合金动态力学性能明显高于现有钛合金材料,具有低密度、准静态条件下具有高强度且塑性良好、具有超高的动态力学性能的轻质结构材料,能够弥补传统钛合金动态力学性能的限制,具有在更加极端的高速冲击环境下使用的前景。
(2)本发明提供的抗高速冲击的钛基轻质多主元合金,密度<5.1g/cm3,比传统的相同使用环境的铁基合金密度低30%以上,对于结构减重效果显著。
(3)本发明提供的钛基轻质多主元合金,可通过采用通用的熔炼、热加工、热处理设备进行加工,易于工业化生产;加工制备成本与传统钛合金相近。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案,下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见,下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域的技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明实施例2钛基多主元合金组织照片;
图2对比例1钛基多主元合金组织照片;
图3对比例2钛基多主元合金组织照片;
图4对比例3钛基多主元合金组织照片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下,所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中,提出了许多具体的细节,以便对本发明的全面理解。但是,对于本领域的普通技术人员来说,很明显的是,本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法,而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中,没有示出公知的结构和技术,以避免对本发明造成不必要的模糊。
以下各实施例及对比例中钛基多主元合金的原子百分含量如表1所示,此外余量为钛和不可避免的组织元素。
表1合金成分
实施例1:
按照表1中本实施例的化学成分称取原材料,采用三次真空自耗熔炼方法,制备出直径280mm合金铸锭,用锻造方法对合金铸锭进行开坯,坯料预热温度1150℃,每火次变形量控制在75%以上,变形速率在1s-1~1.5s-1,终端温度控制在1000℃以上,开坯后晶粒尺寸控制在150μm左右;然后在900℃进行精锻,变形量96%,变形速率在0.05s-1~0.1s-1,获得直径120mm的抗高速冲击钛基多主元合金棒材。
经测试,此钛基多主元合金的密度为4.78g/cm3,合金组织主要由BCC结构组成,平均晶粒尺寸85μm;准静态条件下,强塑积达到12000MPa%;动态冲击条件下,强度达到1600MPa,5200s-1时,材料不破坏,吸收能达到680J/cm3。
实施例2:
按照表1中本实施例的化学成分称取原材料,采用三次真空自耗熔炼方法,制备出直径650mm合金铸锭,用锻造方法对合金铸锭进行开坯,坯料预热温度1150℃,每火次变形量控制在75%以上,变形速率在1s-1~1.5s-1,终端温度控制在1000℃以上,开坯后晶粒尺寸控制在150μm左右;然后在900℃进行精锻,变形量96%,变形速率在0.05s-1~0.1s-1,获得直径320mm的抗高速冲击钛基多主元合金棒材。
经测试,此钛基多主元合金的密度为4.85g/cm3,合金组织主要由BCC结构组成,平均晶粒尺寸约为90μm,准静态条件下,强塑积达到13000MPa%;动态冲击条件下,强度达到1650MPa,5500s-1时,材料不破坏,吸收能达到720J/cm3。
实施例3:
按照表1中本实施例的化学成分称取原材料,采用三次真空自耗熔炼方法,制备出直径280mm合金铸锭,用锻造方法对合金铸锭进行开坯,坯料预热温度1150℃,每火次变形量控制在78%以上,变形速率在0.5s-1~1.5s-1,终端温度控制在1000℃以上,开坯后晶粒尺寸控制在150μm左右;然后在900℃进行精锻,变形量95%,变形速率在0.05s-1~0.1s-1,获得直径120mm的抗高速冲击钛基多主元合金棒材。
经测试,此钛基多主元合金的密度为4.83g/cm3,合金组织主要由BCC结构组成,棒材平均晶粒尺寸约为95μm,准静态条件下,强塑积达到11500MPa%;动态冲击条件下,强度达到1650MPa,5500s-1时,材料不破坏,吸收能达到700J/cm3。
实施例4:
按照表1中本实施例的化学成分称取原材料,采用三次真空自耗熔炼方法,制备出直径280mm合金铸锭,用锻造方法对合金铸锭进行开坯,坯料预热温度1150℃,每火次变形量控制在75%以上,变形速率在0.5s-1~1.5s-1,终端温度控制在1000℃以上,开坯后晶粒尺寸控制在150μm左右;然后在800℃进行精锻,变形量95%,变形速率在0.05s-1~0.1s-1,获得直径120mm的抗高速冲击钛基多主元合金棒材。
经测试,此钛基多主元合金的密度为4.9g/cm3,合金组织主要由BCC结构组成,棒材平均晶粒尺寸约为90μm;准静态条件下,强塑积达到12000MPa%;动态冲击条件下,强度达到1750MPa,5200s-1时,材料不破坏,吸收能达到670J/cm3。
实施例5:
按照表1中本实施例的化学成分称取原材料,采用三次真空自耗熔炼方法,制备出直径650mm合金铸锭,用锻造方法对合金铸锭进行开坯,坯料预热温度1150℃,变形量95%,变形速率在0.05s-1~0.1s-1,终端温度控制在1000℃以上,开坯后晶粒尺寸控制在150μm左右;然后在900℃进行精锻,变形量95%,变形速率在0.05s-1~0.1s-1,获得直径320mm的抗高速冲击钛基多主元合金棒材。
经测试,此钛基多主元合金的密度为4.7g/cm3,合金组织主要由BCC结构组成,棒材平均晶粒尺寸约为80μm;准静态条件下,强塑积达到12500MPa%;动态冲击条件下,强度达到1600MPa,5000s-1时,材料不破坏,吸收能达到680J/cm3。
对比例1:
本对比例的化学成分与实施例2相同,精锻阶段工艺相同,区别在于铸锭开坯阶段,坯料预热温度1150℃,每火次变形量控制在50%,变形速率在1s-1~1.5s-1,终端温度控制在1000℃以上。
经测试,棒材晶粒尺寸不均匀;准静态条件下,强塑积达到10500MPa%;动态冲击条件下,强度达到1500MPa,冲击破坏的临界应变速率达到4800s-1,吸收能为610J/cm3。
对比例2:
本对比例的化学成分与实施例2相同,区别在于铸锭开坯后,精锻阶段温度为900℃,变形量75%,变形速率在0.05s-1~0.1s-1。
经测试,棒材晶粒尺寸不均匀;准静态条件下,强塑积达到10000MPa%;动态冲击条件下,强度达到1500MPa,冲击破坏的临界应变速率达到4800s-1,吸收能为620J/cm3。
对比例3:
本对比例的化学成分与实施例2相同,区别在于铸锭开坯后,精锻阶段温度为900℃,变形量96%,变形速率在0.5s-1~1s-1。
经测试,棒材晶粒尺寸不均匀;准静态条件下,强塑积达到9500MPa%;动态冲击条件下,强度达到1500MPa,冲击破坏的临界应变速率达到4700s-1,吸收能为590J/cm3。
如图1至图4中为实施例和对比例中的组织结构,从图1可以看出获得了细化均匀化的组织,实现了本发明的轻质多主元合金组织控制目标,性能优异。而图2-4中由于工艺控制,最终的组织不均匀,性能相对较差。对比例1和实施例2性能的差别主要原因是棒材平均晶粒尺寸的控制上,晶粒尺寸与热机械处理工艺密切相关,因此,需要同时调控化学成分和制备工艺,才能达到本发明所提出的抗高速冲击的性能指标。
本发明的实施例和对比例的性能如表2所示。
表2
本发明所述的抗高速冲击钛基多主元合金的密度小于5.1g/cm3,准静态条件下强塑性匹配;动态冲击条件下强度达到1600MPa以上,冲击破坏的临界应变速率达到5000s-1以上,吸收能达到650J/cm3,动态力学性能与传统钛合金相比有较大优势,在新型航空结构件所需的极端高速冲击结构件上具有很好的应用潜力。
最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可以轻易想到各种等效的修改或者替换,这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金,其特征在于:所述钛基多主元合金主要由BCC结构相组成,BCC结构相含量在95%以上,BCC相的平均晶粒尺寸在100μm以下;所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量为:Ti:60%~75%、Al:10%~20%、V+Fe+Mo+Cr+Nb+Zr:11%~25%、余量为不可避免的杂质;所述抗高速冲击钛基多主元合金的密度小于5.1g/cm3,动态冲击条件下强度在1600MPa以上,冲击破坏的临界应变速率在5000s-1以上,吸收能在650J/cm3以上。
2.根据权利要求1所述的钛基多主元合金,其特征在于:所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有:V+Fe+Mo+Cr+Nb+Zr在12%~22%范围内,其中至少有两种元素含量在5%以上。
3.根据权利要求1所述的钛基多主元合金,其特征在于:所述钛基多主元合金的化学成分中Al在10%~12.9%范围内。
4.根据权利要求1所述的钛基多主元合金,其特征在于:所述钛基多主元合金的化学成分中V在5%~10%范围内。
5.根据权利要求1所述的钛基多主元合金,其特征在于:所述钛基多主元合金的化学成分中Cr在5%~7.8%范围内。
6.根据权利要求1所述的钛基多主元合金,其特征在于:所述钛基多主元合金的化学成分中Nb在5%~9.8%范围内。
7.根据权利要求1所述的钛基多主元合金,其特征在于:所述的钛基多主元合金在准静态条件下,强塑积可达到9000MPa%。
8.根据权利要求1所述的抗高速冲击钛基轻质多主元合金的制备方法,其特征在于:具体包含以下步骤:
S1:将原材料通过真空自耗熔炼或凝壳熔炼或自耗+凝壳熔炼的方法获得合金铸锭;
S2:采用锻造、挤压、轧制等热机械处理方法,以制备出所需的坯料或锻件或结构件。
9.根据权利要求8所述的的制备方法,其特征在于:其中铸锭开坯阶段坯料的热加工温度控制在1000℃~1150℃,开坯阶段每火次变形量控制在75%以上,变形速率在0.5s-1~1.5s-1,开坯后平均晶粒尺寸控制在200μm以下;最终成形阶段坯料的热加工温度控制在800℃~900℃,变形量控制在95%以上,变形速率在0.01s-1~0.1s-1;根据需要进行退火处理,最终获得平均晶粒尺寸100μm以下的合金材料。
10.根据权利要求8所述的的制备方法,其特征在于:所述的铸锭中氧含量控制在0.07wt.%以下。
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CN202311261932.7A Pending CN117418137A (zh) | 2023-09-27 | 2023-09-27 | 一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金及其制备方法 |
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2023
- 2023-09-27 CN CN202311261932.7A patent/CN117418137A/zh active Pending
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