一种具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金及其制备方法

本发明属于钛合金组织调控，具体涉及一种具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金及其制备方法。

背景技术：

1、钛是 20世纪 50年代发展起来的一种重要的金属材料。因钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好、抗疲劳和蠕变性好等优异的性能，被誉为继钢铁、铝材之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”。目前，钛合金已在航空航天、船舶、石油化工、兵器、电子、医疗等军事工业及民用领域得到了广泛的应用。

2、随着现代战场的流动性提高，需要武器装备具有快速响应、快速部署、快速投入使用的能力。因此，实现武器装备轻量化对于提高装备机动性等具有重要的意义。其中，材料的轻量化可以科学、合理、高效地减轻装备的质量，极大地提高装备部署和机动能力，也有利于该型装备向其他领域的作战平台进行拓展。在进行材料轻量化选材时，钛合金是较为理想的轻质高强材料，可以考虑用其代替密度较高的传统合金材料应用于武器装备结构件的制造，以实现轻量化的要求。

3、军事装备领域的结构件材料需要具备较为优异的强韧性，以及良好的塑性。为了满足结构件材料对力学性能方面的需求，需要同时兼顾强-塑-韧之间的匹配。目前我国应用的高强韧α+β型钛合金tc21的抗拉强度能够大于1200mpa，断后延伸率可达12%以上，但其冲击韧性普遍不超过25 j/cm2。通常情况下，为了使钛合金零部件具备优良的强韧性，需要通过适当的热加工工艺获得理想的显微组织。

技术实现思路

1、本发明针对应用中一些常用标号的钛合金在强韧性等综合力学性能方面的不足，基于成分改性和热变形工艺强化的原理，设计了一种具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金及其制备方法。

2、具体的，本发明第一方面提供了一种具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金，所述钛合金元素质量百分比如下：al：4.8%-5.2%、v：7.3-7.8%、si：0.3-0.5%、mo：0.8-1.1%，余量为ti和杂质元素，且al、v、mo、si元素的质量百分比需满足如下关系：

3、；

4、其中，wal、wsi、wv、wmo分别指代al、si、v、mo元素的质量百分比。

5、进一步地，所述钛合金的抗拉强度大于1250mpa，屈服强度大于1150mpa，断后延伸率大于8%，冲击韧性大于35j/cm2。

6、进一步地，所述钛合金组织中包括等轴αp相、棒状α片层和β转变基体，且所述β转变基体中包含细小的次生α相。

7、进一步地，所述等轴αp相的体积分数为15%~25%，所述棒状α片层体积分数为34%~45%。

8、本发明第二方面提供一种具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金的制备方法，包括：

9、根据上述高强高韧双相钛合金的成分配比进行配料，并通过熔炼得到初始钛合金铸锭；

10、将所述初始钛合金铸锭进行多道次热轧处理，得到钛合金轧板；

11、将所述钛合金轧板进行真空加压校平处理、去应力退火处理、固溶处理及时效处理得到最终的具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金。

12、进一步地，所述多道次热轧处理包括：

13、将所述初始钛合金铸锭放入800℃~830℃的热处理炉中，随炉加热至930℃~970℃后立即对所述初始钛合金铸锭轧制两道次，道次间回炉保温5min~8min，而后使所述初始钛合金铸锭随炉冷却至880℃~900℃，待保温5min~10min之后，再轧制三道次并最终淬火，道次间回炉保温5min~8min，轧制变形量总计70%~80%。

14、进一步地，所述去应力退火处理为在560℃~600℃下进行3h~5h去应力退火。

15、进一步地，所述固溶处理为将去应力退火处理后的轧板在850℃~870℃下进行1h固溶处理后空冷。

16、进一步地，所述时效处理为将固溶处理后空冷后的轧板在800℃~830℃下保温0.5h后随炉冷却至760℃~790℃空冷，然后在500℃~550℃下进行5h~8h时效处理后空冷。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

18、本发明首先基于成分改性原理，通过加入适量的mo元素，细化组织，提升合金的强度，增加mo当量；再通过多道次小变形量的变温轧制工艺和多级热处理制度，运用钛合金在热力耦合条件下再结晶和相变的交互作用机制，获得多层次的α相以提升合金的变形协调能力和冲击韧性。

19、综上，本申请提供的钛合金拥有较为优异的强韧性和较为出色的综合力学性能，将在工业的各领域中拥有较为广阔的应用前景和开发潜力。

技术特征：

1.一种具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金，其特征在于，所述钛合金元素质量百分比如下：al：4.8%-5.2%、v：7.3-7.8%、si：0.3-0.5%、mo：0.8-1.1%，余量为ti和杂质元素，且al、v、mo、si元素的质量百分比需满足如下关系：

2.根据权利要求1所述的具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金，其特征在于，所述钛合金的抗拉强度大于1250mpa，屈服强度大于1150mpa，断后延伸率大于8%，冲击韧性大于35j/cm2。

3.根据权利要求1所述的具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金，其特征在于，所述钛合金组织中包括等轴αp相、棒状α片层和β转变基体，且所述β转变基体中包含细小的次生α相。

4.根据权利要求3所述的具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金，其特征在于，所述等轴αp相的体积分数为15%~25%，所述棒状α片层体积分数为34%~45%。

5.一种具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金的制备方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金的制备方法，其特征在于，所述多道次热轧处理包括：

7.根据权利要求6所述的具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金的制备方法，其特征在于，所述去应力退火处理为在560℃~600℃下进行3h~5h去应力退火。

8.根据权利要求6所述的具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理为将去应力退火处理后的轧板在850℃~870℃下进行1h固溶处理后空冷。

9.根据权利要求8所述的具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理为将固溶处理后空冷后的轧板在800℃~830℃下保温0.5h后随炉冷却至760℃~790℃空冷，然后在500℃~550℃下进行5h~8h时效处理后空冷。

技术总结
本申请公开了一种具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金及其制备方法，其中钛合金元素质量百分比如下：Al：4.8%‑5.2%、V：7.3‑7.8%、Si：0.3‑0.5%、Mo：0.8‑1.1%，余量为Ti和杂质元素，且Al、V、Mo、Si元素的质量百分比需满足如下关系：；其制备方法包括：按照上述成分配比进行配料，并通过熔炼得到初始钛合金铸锭；将初始钛合金铸锭进行多道次热轧处理，得到钛合金轧板；将钛合金轧板进行真空加压校平处理、去应力退火处理、固溶处理及时效处理得到最终的具有多层次α相组织的高强高韧双相钛合金。本发明首先加入适量的Mo元素，再通过多道次小变形量的变温轧制工艺和多级热处理制度，获得多层次的α相以提升合金的变形协调能力和冲击韧性。

技术研发人员：唐斌,刘凯华,戴锦华,王军,李金山
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16