[发明专利]低成本高强α+β钛合金及其制备方法

说明书

本发明提供了低成本高强α+β钛合金，所述钛合金以钛为主体元素，以α稳定元素Al、B和β稳定元素Fe为合金元素，所述钛合金的各成分含量为：Al：2.5‑4.5wt.％，Fe：2.5‑4wt.％，B：0.05‑0.2wt.％，余量为钛和不可避免的杂质。本发明还提供了其制备方法：按设计的合金成分比例将原材料添加到通入氩气的水冷坩埚悬浮熔炼炉中，反复熔炼多次后得到铸锭，在相变点以上开坯锻造，对锻造合金取样进行热处理，最后进行组织结构及性能表征。所制备的钛合金，合金成分均匀，组织细小，抗拉强度≥1000MPa，塑性延伸率≥15％，合金具有低成本以及高强度的优势，在某些领域可以替代部分价格较昂贵的钛合金。

技术领域

本发明属于钛合金加工技术领域，尤其涉及一种低成本高强α+β钛合金及其制备方法。

背景技术

20世纪50年代以来，由于航空航天技术的迫切需求，钛工业得到了迅速的发展。如今，钛及钛合金不仅是航空航天工业中不可缺少的结构材料，在化工、冶金、医疗等方面也获得了广泛的应用。近年来，我国大力发展海洋工程领域，而钛及钛合金以其优异的耐腐蚀性能在海洋工程方面具有广阔的应用前景，相比于航空航天而言，海洋工程对钛合金的低成本要求更加迫切。

高强钛合金是室温拉伸强度在800～1400MPa之间的钛合金，主要由近β钛合金、亚稳态β钛合金以及少量的α+β钛合金组成。β钛合金是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，但塑性随着强度的提高会有明显的下降。α+β钛合金它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热加工，能进行淬火、时效使合金强化。

降低成本成为了现如今在钛合金领域研究开发的一大重点。到目前为止,已获得成功的降低钛合金成本的方法有很多种，主要有以下几种思路：(1)设计合金的过程中使用廉价的合金化元素；(2)改善材料加工特性；(3)废料添加；(4)加工过程工艺控制。其中，使用廉价的合金化元素替代昂贵元素是一种最常见的方法，采用Al、Fe等资源丰富的合金化元素就可以大幅降低合金成本。

β相条件稳定系数K_β可以表现不同β稳定元素在钛合金中形成的β相稳定程度的强弱，K_β等于各种β稳定元素的含量与其各自最大溶解度比值的累计之和。α钛合金的K_β为0-0.07，此类合金一般以α稳定元素及中性元素作为其合金元素，其具有良好的焊接性能以及铸造性能，高的蠕变抗力和高的热稳定性。近α钛合金K_β为0.07-0.25，近α钛合金也具有α钛合金优良的焊接性能和热稳定性。α+β钛合金K_β为0.25-1.0，此类合金具有好的工艺塑性和可强化热处理的能力。近β钛合金K_β为1.0-1.4，此类合金具有高强度、高断裂韧性、抗裂纹扩展等优异性能。β钛合金K_β为>1.4，此类钛合金的冷成型、冷加工能力强，合金的淬透性也很好。

申请号为201110392730.7《一种低成本近β钛合金》的发明专利，公开了一种近β钛合金，合金成分按重量百分比计:Al:0～3％,Cr:4.1～5.5％,Fe:2～3％,B:0～0.30％,余量为钛,Cr/Fe为1.6～2.3,其中Cr采用Cr-Fe中间合金，Al采用铝豆或者Al-Ti-B中间合金。合金的原材料成本低于现有钛合金的原材料成本，约为常用钛合金Ti-6Al-4V的四分之三，且基本力学性能与Ti-6Al-4V相当。合金均采用在相变点及相变点温度以上固溶处理的热处理方式，所得到的合金均为β相，即仅有β晶粒组成的等轴组织，随着固溶温度的提高，固溶得到的β相晶粒尺寸增加，一般此时的强度较高，但塑性较低。对比实施例6和实施例7发现，当Cr、Fe元素含量基本不变时，Al含量从0变到3％，抗拉强度由950MPa变到1090MPa，屈服强度由890MPa变到1020MPa，伸长率由18％降到12％以下，在该申请中的若干实施例中，B的加入使得合金的室温抗拉强度和室温屈服强度增加，但是塑形延伸率则降到了11％左右。

发明内容