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
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
技术实现要素：
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：al2.5～6.0％，mo6.5～8.5％，v0～3.0％，cr1.5～4.5％，fe0.7～2.0％，zr0～2.5％，o0.05～0.2％，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tβ应满足800℃≤tβ≤870℃。
该钛合金中，铝当量aleq≤7，所述铝当量根据公式(1)确定；
aleq＝cal+0.17czr+10co(1)；
式(1)中：cal为al的重量百分含量，czr为zr的重量百分含量，co为o的重量百分含量。
该钛合金中，钼当量moeq范围为14～18之间，所述钼当量根据公式(2)确定；
moeq＝cmo+0.67cv+1.25ccr+2.5cfe(2)；
式(2)中：cmo为mo的重量百分含量，cv为v的重量百分含量，cfe为fe的重量百分含量，ccr为cr的重量百分含量。
本发明具有高强高塑和良好断裂韧性的钛合金的制备工艺，包括如下步骤：
(1)按所需要合金成分进配料，压制电极,经过至少两次熔炼制备获得合金铸锭。
(2)热变形处理：对步骤(1)中铸锭进行开坯锻造，然后进行多火次锻造或者轧制；所述多火次锻造或者轧制的最后一次锻造或者轧制采取以下两种热变形工艺中的一种：第一种为：坯料加热到相变点以上15～40℃，然后施加50％以上的变形量；第二种为：坯料加热到相变点以下40～100℃，然后施加15％以上的变形量。
(3)热处理：包括固溶处理和时效处理；固溶处理温度为合金相变点以下20～50℃，保温时间为1-4小时，然后快速冷却；经过固溶处理的构件进行时效处理，时效处理温度大于480℃，保温时间为4-24小时，然后冷却。
本发明的设计原理如下：
本发明突出了(fe+cr)的添加，在添加相同质量百分比的β相稳定元素时，可以获得更强的β相稳定能力与固溶强化效果，有利于当合金用于大截面尺寸构件时提高大截面构件的淬透性。这里大截面尺寸构件指截面最小尺寸大于150mm的构件。
本发明中规定了fe的添加量，fe是钛合金中的正偏析元素，含量太高会由于其强的偏析趋势而给合金熔炼带来困难，含量太低则其对于固溶强化、稳定β相以及促进高温扩散的作用则不充分。本发明规定的fe含量对于有经验的合金熔炼生产者来说偏析程度可控。
本发明规定了cr的添加量。cr与fe类似，也是正偏析元素。量太低则固溶强化与稳定β相的作用不明显，量太高则也会给熔炼带来困难。
本发明突出了mo与(fe+cr)的协同添加，并规定了添加比例，其作用有四：①mo的添加可以抑制fe和cr在合金中的有序化趋势，避免合金可能出现的脆化；②mo的添加可以抑制合金在由β相区冷却到两相区时α相的粗化，晶内针状初生α相和晶界条状初生α相越细则经后续变形与热处理过程后越容易使其破碎并实现等轴化，其分布也越弥散；细小弥散的初生α相有钉扎β亚晶界的作用，有利于细化β亚晶粒，提高材料的塑性；③与fe、cr在钛合金中的正偏析特性不同，mo是负偏析元素，其偏析效果和fe、cr偏析的效果可以互相抵消一部分，从而降低fe、cr成分偏析对合金性能不均的负面影响；④同作为同晶型β相稳定元素，mo比v的固溶强化效果更高，因此能以少的添加量获得相同的强化效果。
本发明规定了mo的添加量，当添加量太低时，上述的四种作用不充分。另外mo单质熔点高，必须以中间合金的形式添加，当添加量太高时，会给合金熔炼带来困难。
本发明规定了v的添加量为0～3.0％。v是和mo类似的同晶型β相稳定元素，相对于mo的添加，其有利的是在α相中固溶度高于mo，引起的高温变形抗力的升高较弱；而不利的是固溶强化效果弱且β相稳定效果稍差，另外不具有在β相区冷却到两相区时抑制初生α长大的作用。因此v可作为fe、cr和mo元素添加不足时的补充。
本发明规定了al的添加量，其作用有三：①固溶强化，②调节相变点，③提高β稳定元素在α相中的固溶度。al含量太低则固溶强化效果不明显，并可能导致相变点偏低，不利于热变形工艺的开展。al在时效过程中会发生向α相中的偏聚，含量过高时具有有序化趋势，有害于材料的断裂韧性。
本发明规定了cr和fe含量之和为3.5～6.0％。当含量偏低会达不到所需的强化效果，当含量偏高则熔炼难度加大。
本发明规定了合金的钼当量。当钼当量过高会使得合金相变点偏低而热变形抗力过大，不利于热变形工艺的开展；当钼当量偏低则会达不到所需要的固溶强化效果，使得合金强度偏低。
本发明规定了合金的铝当量值aleq不大于7。当铝当量达到7以上时合金在时效过程中存在有序化倾向，这会导致断裂韧性降低。由于时效过程中会发生al向α相中的偏聚，这会使得α相中al含量实际会高于合金整体al含量。另外al与zr、o有协同促进α2相析出的作用，因此需要控制其总体含量。
本发明规定了合金的相变点。相变点越高，则固溶热处理温度往往也越高，则初生α相越容易粗化，这有害于材料的塑性。而相变点越低则两相区变形窗口越小，越不利于热变形工艺的开展。
本发明的合金，其合金熔炼原料选择可参照一般钛合金，其中fe可以mo-fe或者v-fe中间合金的形式加入。本发明的合金，当制备直径250mm以上大尺寸铸锭且最后一次熔炼采用真空自耗熔炼时，应该根据fe添加量的多少在参考常规钛合金熔炼工艺的基础上适当降低熔炼过程的电极熔化速度以降低熔池深度，从而控制fe元素的偏析。具有成功的ti-1023合金熔炼经验的生产者可以参考该合金的熔炼工艺设置熔炼参数。
本发明的合金，为获得足够的延伸率并使断裂韧性最大化，可以采取如下的热变形锻造或者轧制工艺：一、开坯锻造；二、后续锻造；三、两相区变形，变形量在50％以上；四、单相区变形，变形量控制在50％以上；五、两相区变形，变形量在15％以上。
本发明的合金，为使断裂韧性最大化，可以采取如下的热变形工艺：一、开坯锻造；二、后续锻造；三、两相区变形，累积变形量在50％以上；四、单相区锻造，累积变形量在50％以上，水淬。
本发明的合金，为获得足够的延伸率，固溶热处理温度应该低于相变点30℃以上。
本发明具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过mo+(fe,cr)+v+zr与al在ti合金中的添加搭配，获得了兼具高强度、高塑性和良好断裂韧性的大截面钛合金。本发明钛合金可获得极佳的综合力学性能匹配，如抗拉强度达到1450mpa时，延伸率≥5％，
2、本发明的合金和具有相同应用目标的vt22以及由其衍生的系列合金相比，具有更高的mo添加量，cr+fe的添加量也更高，同时钼当量也更高。因此本发明钛合金可获得更高的强度水平。而相变点类似，因此具有类似的工艺性能。
3、本发明的合金适合应用于各种要求高强度和良好韧性的承力结构件，如固定翼飞机的机身、机翼和起落架上应用的锻造件，也可用于直升机上使用的各种要求损伤容限性能的结构件，以及要求超高强度和良好塑性的紧固件棒丝材。
具体实施方式
以下结合实施例详述本发明。
各实施例的合金成分见表1。经过三次真空自耗熔炼，制备了具有表1所示成分的合金铸锭，采用金相法测得其相变点。铸锭经过多火次自由锻造，实施例1、2、3和5的最后一次锻造均在两相区，加热温度为750℃，变形量为40％。而实施例4的最后一次锻造用了两种工艺：①750℃加热的两相区锻造(变形量为30％)和②850℃加热的单相区锻造(变形量为60％)。所有实施例最后获得60×60×l(长度)的棒状方坯。对锻件进行固溶和时效热处理，测试其拉伸性能和断裂韧性，热处理后的力学性能在表2中给出，其中σ0.2、σb、δ5、ψ和kic分别为屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率和平面断裂韧性。
表1实施例1-5的合金成分
表2对应于实施例1-5的材料力学性能