[发明专利]具有高强高塑和良好断裂韧性的钛合金及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学技术领域，具体涉及一种具有高强高塑和良好断 裂韧性的钛合金及其制备工艺。

背景技术

钛合金由于其高的比强度、优异的抗腐蚀性能以及一定的高温抗氧化 性，广泛应用于航空航天、石油化工以及海上装备技术领域。

当钛合金作为结构件使用时，在某些应用场合不仅要考虑材料的强度 和塑性，还要考虑其损伤容限性能，即要一定水平的断裂韧性(高平面断 裂韧性)和低于某一限值的裂纹扩展速度；当强度水平相同时，希望材料 的断裂韧性尽可能的高。不同的结构件对材料的强度水平要求不同。在钛 合金中只有近β或富β两相钛合金可以比较容易的在大截面尺寸(几十到几 百毫米)构件中获得1200MPa甚至更高的抗拉强度，并保持足够的延伸率和 一定的断裂韧性。目前应用于大截面结构件的高强度钛合金主要有两种： 一种是Ti-10V-2Fe-3Al(国内牌号TB6)合金，该合金替代了高强度钢而应 用于波音777飞机起落架，其抗拉强度指标为1190MPa，相应塑性要求不低 于4％(4D)，而断裂韧性要求不低于另外一种是VT22(国内牌 号TC18)及其类似的合金，包括VST55531、Timetal5553和Timetal18。这 种合金的“强度-塑性-断裂韧性”匹配优于Ti-10V-2Fe-3Al合金，其中 VST55531合金在抗拉强度为1360MPa时延伸率可达10％，断裂韧性则可达

但是，在锻件抗拉强度要求更高，例如达到1450MPa时，现有钛合金 尚不能满足强度与塑性、断裂韧性兼顾的要求。例如上述Ti-10V-2Fe-3Al 合金在抗拉强度在1450MPa以上时发生延伸率低于3％的脆断。VT22钛合金 及其衍生的合金在强度达到1450MPa时塑性与断裂韧性难以兼顾，如果满 足延伸率5％以上的指标要求，断裂韧性则会偏低。 TB10(Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al)、Ti-B19(Ti-5Mo-5V-4Cr-2Zr-3Al)合金与VT22钛 合金具有类似情况。β-C(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)作为一种高强度β型钛合 金，在900℃固溶然后进行时效能够获得1400MPa以上的抗拉强度和 的断裂韧性，但延伸率低于5％。β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si) 合金的情况类似,且由于Mo的高添加量，使得合金熔炼变得困难。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种具有高 强高塑和良好断裂韧性的钛合金及其制备工艺，本发明制备了同时具有良 好抗拉强度、延伸率和断裂韧性，并具有良好工艺性能的钛合金锻件，对 钛合金材料在某些领域替代相应强度水平钢的应用具有重要的意义。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有高强高塑和良好断裂韧性的钛合金，按重量百分含量计，该 钛合金组成为：Al 2.5～6.0％，Mo 6.5～8.5％，V 0～3.0％，Cr 1.5～4.5％， Fe 0.7～2.0％，Zr 0～2.5％，O 0.05～0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质。

该钛合金中，Cr和Fe含量之和为3.5～6.0wt.％。

该钛合金中，Mo含量与Fe+Cr含量之比为1.3～2.2。

该钛合金的相变点T_β应满足800℃≤T_β≤870℃。

该钛合金中，铝当量Al_Eq≤7，所述铝当量根据公式(1)确定；

Al_Eq＝C_Al+0.17C_Zr+10C_O (1)；

式(1)中：C_Al为Al的重量百分含量，C_Zr为Zr的重量百分含量，C_O为 O的重量百分含量。

该钛合金中，钼当量Mo_Eq范围为14～18之间，所述钼当量根据公式(2) 确定；

Mo_Eq＝C_Mo+0.67C_V+1.25C_Cr+2.5C_Fe (2)；

式(2)中：C_Mo为Mo的重量百分含量，C_V为V的重量百分含量，C_Fe为 Fe的重量百分含量，C_Cr为Cr的重量百分含量。