[发明专利]一种具有异质叠层结构的双相高强高塑性钛合金及其制备方法

说明书

本发明公开的一种具有异质叠层结构的双相高强高塑性钛合金及其制备方法，将合金在马弗炉中1000～1200℃下的β单相区保温1～2h，然后淬火至室温获得均匀的β相，将得到的合金再次升温至相变点以上，并且保温10‑20min后进行轧制，最后将轧制得到的板材在相变点之上10°保温1～10min后淬火至室温，得到具有异质叠层结构的双相TRIP钛合金；通过上述方法制备的异质叠层结构的双相TRIP钛合金，可以获得屈服强度分别为875MPa、断裂延伸率28％，屈服强度702MPa、断裂延伸率48.5％和屈服强度595MPa、断裂延伸率45％的力学性能组合。

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体为一种具有异质叠层结构的双相高强高塑性钛合金及其制备方法。

背景技术

通过使用新型高强比以及轻量化的结构材料可以显著减少化石燃料和其他能源的消耗。钛合金是重要的轻质结构材料，通过调控其微观结构，可以获得强度和延展性的出色组合。与β相和α+β两相钛合金相比，亚稳态β钛合金表现出更好的淬硬性，不仅具有塑性、强度、疲劳抗力的良好匹配和优异的变形加工性能，还具有较高的抗腐蚀性能，因而拥有巨大的应用前景。一般来说，添加不同的合金元素(例如β稳定元素Cr、Mo、V；α稳定元素Al；中性元素Zr、Sn等)可以调控亚稳态β钛合金的相稳定性。不同的相稳定性可以使合金发生TWIP(孪生诱发塑性)和/或TRIP(相变诱导塑性)两种变形机制，从而表现出优异的力学性能。TRIP/TWIP钛合金在塑性变形过程中，应力诱导马氏体和孪晶的出现可以产生动态霍尔-佩奇效应，显著提升合金的加工硬化率和塑性。因此该类合金具有良好的冷加工成型性，可以在室温下经受大变形而不开裂，降低热机械加工的能源消耗和材料的耗损。

在石油化工管道、航海等领域的结构件中，不锈钢或Co-Cr合金应用非常广泛，但是其屈服强度很低(约为200-300MPa)，在使用过程中经常会出现因过载而导致的失效事故，给国民经济造成了极大的损失。与不锈钢或Co-Cr合金相比，TRIP/TWIP钛合金不仅具有较高的耐腐蚀性，同时其屈服强度可以到达500MPa，约为不锈钢或Co-Cr合金的两倍，因此具有极高的应用价值。此外，与α+β钛合金(Ti-6Al-4V)相比，TRIP/TWIP亚稳态β钛合金不仅具有良好的塑性，而且具有极高的加工硬化能力，其最终抗拉强度可以高达1200MPa。这些优点，使得TRIP/RWIP亚稳态β钛合金成为下一代轻质金属的潜在候选材料。

目前对于TRIP/TWIP效应的亚稳态β钛合金，其研究大多都集中在通过改变合金元素调控变形机制，而后通过冷轧和单相区固溶热处理获得均匀的单相β晶粒，获取所需的力学性能。单相β结构是为了使合金在塑性变形期间发生应力诱导马氏体等变形产物，获取高塑性和加工硬化率。然而，应力诱导马氏体的临界开动应力只有200-500MPa，为了提升TRIP/TWIP钛合金的屈服强度，可以采用固溶强化和第二相强化两种策略。一方面，对于亚稳态β钛合金来说，固溶强化需要加入较多稳定β相的元素，例如Mo、V、Nb等昂贵的元素，使得合金成本显著提升。另一方面，α相的析出往往伴随着元素的再分配，这样会改变β基体的稳定性。此外，析出α相的含量难以控制，并且当基体稳定时，此时变形机制将会转变为位错滑移，延伸率和加工硬化率显著下降。因此，TRIP/TWIP钛合金的屈服强度和塑性固有的倒置关系并未得到突破，这严重阻碍了亚稳态β钛合金的进一步发展。

基于以上问题，如何调控亚稳态β钛合金的组分与微观结构，通过析出足够多的α相突破单相β基体的屈服强度极限，并保持TRIP/TWIP效应维持其延伸率和加工硬化率是目前亟需解决的关键问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有异质叠层结构的双相高强高塑性钛合金及其制备方法，该方法能够利用析出相α钉扎晶界的作用细化晶粒，同时通过调控α析出相匮乏片层(α相位于晶界)和α析出相富集片层(大量α相)的层厚来改变TRIP变形机制的临界应力，不仅提高了屈服强度，同时保持较好的加工硬化率和均匀延伸率。

本发明是通过以下技术方案来实现：