一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金及其制备方法与流程

本发明属于金属材料，涉及一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金及其制备方法。

背景技术：

1、传统高速冲击环境用的结构材料通常选用铁基合金，近年来，欧美等报道了导弹壳体、防弹结构等采用钛合金材料，这主要是由于钛合金的密度低、比强度较高，同时，具有较为优异的动态力学性能。替代传统的铁基合金能够实现显著的结构减重。

2、随着高端科技应用的进一步提升，在极端高速冲击环境下，现有的钛合金材料已经不能满足使用需要，因此，对新型轻质抗高速冲击材料有迫切需求。多主元合金是近10几年来发展出来的一类新型金属结构材料，tizrhfnbta等难熔多主元合金表现出了优异的抗动态冲击的性能，但是由于其密度较高，适用于作为破片材料，难以作为壳体材料。

3、钛基多主元合金是通过高熵合金的设计方法产生的一类新型钛基合金，其通常含有ti、al、cr、nb、v、zr、mo、sn中的四种或以上元素作为主要元素，合金的室温强度和塑性匹配良好，合金成分精细化设计后，有望获得抗高速冲击、抗氧化等极端环境性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对新型航空航天结构件对轻质抗高速冲击材料的迫切需求，提供一种低密度、准静态条件下具有高强度且塑性良好、具有超高的动态力学性能的钛基轻质多主元合金及其制备方法。

2、为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

3、一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金，所述钛基多主元合金主要由bcc结构相组成，bcc结构相含量在95％以上，bcc相的平均晶粒尺寸在100μm以下；所述抗高速冲击钛基多主元合金的密度小于5.1g/cm3，动态冲击条件下强度达到1600mpa以上，冲击破坏的临界应变速率达到5000s-1以上，吸收能可达到650j/cm3以上；所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量为：ti：60％～75％、al：10％～20％、v+fe+mo+cr+nb+zr：11％～25％、余量为不可避免的杂质。

4、优选地，所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有：v+fe+mo+cr+nb+zr在12％～22％范围内，其中至少有两种元素含量在5％及以上。

5、优选地，所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有：al在10％～16％范围内。

6、优选地，所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有：v在5％～10％范围内。

7、优选地，所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有：cr在5％～7.8％范围内。

8、优选地，所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有：nb在5％～9.8％范围内。

9、所述的抗高速冲击的钛基轻质多主元合金的制备方法，具体包含以下步骤：

10、s1：将原材料通过真空自耗熔炼或凝壳熔炼或自耗+凝壳熔炼的方法获得合金铸锭；

11、s2：采用锻造、挤压、轧制等热机械处理方法，以制备出所需的坯料或锻件或结构件。

12、优选地，所述的抗高速冲击钛基轻质多主元合金的热机械处理方法，其中铸锭开坯阶段坯料的热加工温度控制在1000℃～1150℃，开坯阶段每火次变形量控制在75％以上，变形速率在0.5s-1～1.5s-1，开坯后平均晶粒尺寸控制在200μm以下；最终成形阶段坯料的热加工温度控制在800℃～900℃，变形量控制在95％以上，变形速率在0.01s-1～0.1s-1；可根据需要进行退火处理，最终获得平均晶粒尺寸100μm以下的合金材料。

13、通常传统钛合金的主导开坯工艺在β相区，终成形阶段在α+β两相区，组织细化均匀化相对容易；区别于传统钛合金，由于所述钛基多主元合金从1150℃以下均由单一β相(bcc结构)组成，无α相存在，单相β相在热加工过程中存在更大的晶粒长大倾向，按照传统钛合金的制造工艺难以实现本发明涉及的钛基多主元合金晶粒的细化和均匀化，而合金晶粒的细化和均匀化对抗高速冲击性能的影响很大。因此本发明基于所述钛基多主元合金的热变形特性，创新的设计了热机械处理工艺，该工艺范围内能够实现合金晶粒尺寸的细化和均匀化。

14、优选地，所述多主元合金铸锭中氧含量控制在0.07wt.％以下。

15、本发明的有益效果是：

16、(1)本发明提供的钛基轻质多主元合金，通过ti、al、及其它合金化元素的综合控制，使得合金在准静态条件下强度和塑性匹配良好，强塑积可达到9000mpa％以上；动态冲击条件下强度达到1600mpa以上，冲击破坏的临界应变速率达到5000s-1以上，吸收能可达到650j/cm3以上；现有钛合金的临界应变速率仅为3000s-1～4000s-1范围内，吸收能仅为350～500j/cm3。可见，本发明提供的合金动态力学性能明显高于现有钛合金材料，具有低密度、准静态条件下具有高强度且塑性良好、具有超高的动态力学性能的轻质结构材料，能够弥补传统钛合金动态力学性能的限制，具有在更加极端的高速冲击环境下使用的前景。

17、(2)本发明提供的抗高速冲击的钛基轻质多主元合金，密度＜5.1g/cm3，比传统的相同使用环境的铁基合金密度低30％以上，对于结构减重效果显著。

18、(3)本发明提供的钛基轻质多主元合金，可通过采用通用的熔炼、热加工、热处理设备进行加工，易于工业化生产；加工制备成本与传统钛合金相近。

技术特征：

1.一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金，其特征在于：所述钛基多主元合金主要由bcc结构相组成，bcc结构相含量在95％以上，bcc相的平均晶粒尺寸在100μm以下；所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量为：ti：60％～75％、al：10％～20％、v+fe+mo+cr+nb+zr：11％～25％、余量为不可避免的杂质；所述抗高速冲击钛基多主元合金的密度小于5.1g/cm3，动态冲击条件下强度在1600mpa以上，冲击破坏的临界应变速率在5000s-1以上，吸收能在650j/cm3以上。

2.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述钛基多主元合金的化学成分按照原子百分含量含有：v+fe+mo+cr+nb+zr在12％～22％范围内，其中至少有两种元素含量在5％以上。

3.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述钛基多主元合金的化学成分中al在10％～12.9％范围内。

4.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述钛基多主元合金的化学成分中v在5％～10％范围内。

5.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述钛基多主元合金的化学成分中cr在5％～7.8％范围内。

6.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述钛基多主元合金的化学成分中nb在5％～9.8％范围内。

7.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金在准静态条件下，强塑积可达到9000mpa％。

8.根据权利要求1所述的抗高速冲击钛基轻质多主元合金的制备方法，其特征在于：具体包含以下步骤：

9.根据权利要求8所述的的制备方法，其特征在于：其中铸锭开坯阶段坯料的热加工温度控制在1000℃～1150℃，开坯阶段每火次变形量控制在75％以上，变形速率在0.5s-1～1.5s-1，开坯后平均晶粒尺寸控制在200μm以下；最终成形阶段坯料的热加工温度控制在800℃～900℃，变形量控制在95％以上，变形速率在0.01s-1～0.1s-1；根据需要进行退火处理，最终获得平均晶粒尺寸100μm以下的合金材料。

10.根据权利要求8所述的的制备方法，其特征在于：所述的铸锭中氧含量控制在0.07wt.％以下。

技术总结
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种抗高速冲击的钛基轻质多主元合金及其制备方法。其特征在于：所述钛基多主元合金主要由BCC结构相组成，BCC结构相含量在95％以上，BCC相的平均晶粒尺寸在100μm以下；所述抗高速冲击钛基多主元合金的密度小于5.1g/cm<supgt;3</supgt;，动态冲击条件下强度达到1600MPa以上，冲击破坏的临界应变速率达到5000s<supgt;‑1</supgt;以上，吸收能达到650J/cm<supgt;3</supgt;，在新型航空航天结构件所需的极端高速冲击结构件上具有很好的应用潜力。

技术研发人员：刘宏武,高帆,李臻熙
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25