一种间隙氮强化的超高强塑Ti-Cr-Zr-Al-N钛合金及制备方法

本发明属于高性能合金材料，具体为一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金及制备方法。

背景技术：

1、钛合金具有高比强度、高损伤容限和优异的抗疲劳性能等一系列特点，已经成为当前高技术新材料领域倍受重视的新型结构材料。随着航空航天事业发展和军工武器装备升级换代，结构钛合金要求具有更高的比强度和塑/韧性以实现轻量化和性能提升。

2、除了析出相强化，固溶强化也是提升钛合金强度最重要的方式之一。钛合金中，固溶原子分为置换原子(al,v,ta等)和间隙原子(o,n,c等)两大类。相较于置换原子，间隙原子可引起更大的晶格畸变，显著硬化钛合金。在钛中常用的间隙溶质中，氮原子的硬化效果最强，其强化能力分别是相同原子百分比的氧和碳的1.5倍和2倍。然而，间隙原子的强化伴随着塑性的剧烈损失；一方面，间隙原子作为α稳定元素，通常在晶界处富集，诱导α相在晶界附近析出粗化，使得晶间变形协调能力变差，降低了塑性。另一方面，间隙原子可与螺位错产生交互作用，导致柱面<a>位错滑移阻力增大，同时移动位错使间隙原子从八面体移动到六面体间隙，导致发生局部平面滑移，塑性下降。因此，如何利用轻质氮元素的显著强化效果，设计超高比强度并兼顾塑性/加工硬化能力的钛合金，已经成为当下材料科学界亟需解决的科学难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金及制备方法，实现了超高屈服强度-大拉伸塑性-高加工硬化能力的良好匹配。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金，其特征在于，按质量百分比计，包括4.5～6.2％的al，4.2～5.8％的zr，2.2～3.2％的cr和0.3～0.5％的n，余量为ti以及不可避免的杂质元素。

4、优选的，所述ti-cr-zr-al-n钛合金的组织特征为层状组织结构，或双峰组织结构。

5、优选的，所述ti-cr-zr-al-n钛合金的抗拉强度为1869 -1512mpa，屈服强度为1600-1178mpa，均匀延伸率为5.1-13.5。

6、一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金的制备方法，包括以下步骤：

7、步骤1、将钛合金铸锭在两相区进行热轧；

8、步骤2、对轧制后的钛合金铸锭在α+β两相区相变点以下温度进行固溶处理，固溶温度为低于相变点10-60℃，随后淬火至室温，得到超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金。

9、优选的，步骤1中所述热轧方法如下：

10、轧制温度为低于两相区相变点10～30℃，轧制每道次保温时间为1min，变形量为80％～86％。

11、优选的，步骤2中所述固溶时间为1～10min。

12、优选的，步骤2中所述固溶处理的方法如下：

13、将轧制后的钛合金在相变点以下10-20℃保温1-2min，钛合金组织中初生α析出相呈现拉长形态，形成层状组织合金；

14、将轧制后的钛合金在相变点以下50-60℃保温8-10min，钛合金组织中初生α析出相呈现等轴形态，形成双峰组织合金。

15、优选的，采用悬浮熔炼方法制备钛合金铸锭，对钛合金铸锭进行高温均质化处理后，执行步骤1所述的热轧工艺。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

17、本发明提供的一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金，由于钛及其合金对间隙n原子非常敏感，特别显著恶化材料的延展性，甚至使材料发生脆化。因此，间隙强化在钛合金中难以利用。本发明在合金成分中主动添加n元素，利用热机械加工过程预先产生的高密度位错吸收n原子，一方面，富n的位错作为随后马氏体相变的形核位点；另一方法，马氏体作为间隙n原子的储存物从而克服钛合金中众所周知的间隙脆化。本发明合金具有优良的室温力学性能，通过调控αp相的形貌可以获取不同的强塑性匹配，如表一所示，显示出明显的强塑性优势。更为重要的是，这一研究成果将间隙强化成功引入钛合金中，实现了超高屈服强度-大拉伸塑性-高加工硬化能力的良好匹配，本发明制备的钛合金具有良好的耐蚀性和高比强度等性能，使其在广泛的商业应用领域中成为极具吸引力的结构材料。

技术特征：

1.一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金，其特征在于，按质量百分比计，包括4.5～6.2％的al，4.2～5.8％的zr，2.2～3.2％的cr和0.3～0.5％的n，余量为ti以及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金，其特征在于，所述ti-cr-zr-al-n钛合金的组织特征为层状组织结构，或双峰组织结构。

3.根据权利要求1所述的一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金，其特征在于，所述ti-cr-zr-al-n钛合金的抗拉强度为1869-1512mpa，屈服强度为1600-1178mpa，均匀延伸率为5.1-13.5。

4.一种权利要求1-3任一项所述的一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金的制备方法，其特征在于，步骤1中所述热轧方法如下：

6.根据权利要求4所述的一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金的制备方法，其特征在于，步骤2中所述固溶时间为1～10min。

7.根据权利要求6所述的一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金的制备方法，其特征在于，步骤2中所述固溶处理的方法如下：

8.根据权利要求6所述的一种间隙氮强化的超高强塑ti-cr-zr-al-n钛合金的制备方法，其特征在于，采用悬浮熔炼方法制备钛合金铸锭，对钛合金铸锭进行高温均质化处理后，执行步骤1所述的热轧工艺。

技术总结
本发明公开了一种间隙氮强化的超高强塑Ti‑Cr‑Zr‑Al‑N钛合金及制备方法，属于高性能合金材料技术领域，该钛合金按质量百分比计，包括4.5～6.2％的Al，4.2～5.8％的Zr，2.2～3.2％的Cr和0.3～0.5％的N，余量为Ti以及不可避免的杂质元素。该钛合金制备过程中，间隙N原子的加入使得合金中形成了密集共格的纳米孪晶纳米马氏体，这些间隙N纳米马氏体可以吸收N原子来稀释晶界处的N偏析，从而提高钛合金的抗间隙脆化能力。

技术研发人员：张金钰,张崇乐,刘刚,孙军
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24