本发明涉及钛合金，尤其涉及一种高强度、高冲击韧性近β钛合金及其制备方法和应用。
背景技术：
1、钛及钛合金因具有优异的性能而被广泛应用于航空航天、化工、医疗及海洋工程等领域。例如，钛合金具有出色的耐腐蚀性，能够在极为严苛的环境条件下长时间使用，尤其适用于海水、酸性介质等腐蚀环境。其比强度高、重量轻且具有良好的高温性能，使其成为发动机涡轮叶片、航空器结构件等高技术领域的关键材料。
2、在石油工业领域，钛合金油井管具有比强度高、耐腐蚀性好、弹性模量低、易冷成型、耐海水侵蚀等优良特性，因此被广泛应用于深井、超深井、短半径水平井和高酸油气井当中。目前的钛合金油井管主要以tc4为主。
3、然而，随着油气勘探向深水、高温高压、高腐蚀等非常规油气资源的不断发展，对油井管材料的冲击韧性和强度提出了更高的要求。tc4作为α+β型钛合金，通常可通过热处理提升强度，但强度提升的同时往往伴随塑性和冲击韧性下降，无法实现强度、塑性和韧性的平衡，影响了其在石油工业领域的进一步应用。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供了一种高强度、高冲击韧性近β钛合金及其制备方法和应用。本发明提供的近β钛合金强度高、塑性和韧性好，在石油工业领域具备广阔前景。
2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
3、一种高强度、高冲击韧性近β钛合金，包括以下质量百分含量的化学元素：mo：3.2％～4.5％，cr：2.5％～4％，fe：0.5％～1.8％，al：0.5％～3％，余量为ti和不可避免的杂质；
4、所述高强度、高冲击韧性近β钛合金的钼当量记为[mo]eq，[mo]eq的取值为：9<[mo]eq<11；
5、所述[mo]eq由式i获得：
6、[mo]eq＝1[mo]+1.6[cr]+2.90[fe]-1[al]；
7、式i；
8、式i中[mo]、[cr]、[fe]、[al]分别表示各个元素在高强度、高冲击韧性近β钛合金中的质量百分含量；
9、所述高强度、高冲击韧性近β钛合金的金相组织包括粗α片层组织和细α片层组织。
10、优选的，包括以下质量百分含量的化学元素：mo：3.58％，cr：2.97％，fe：1.06％，al：1.06％，余量为ti和不可避免的杂质。
11、优选的，包括以下质量百分含量的化学元素：mo：3.50％、cr：2.97％、fe：0.98％，al：2.01％，余量为ti和不可避免的杂质。
12、优选的，所述高强度、高冲击韧性近β钛合金的抗拉强度大于1000mpa，屈服强度大于900mpa，断裂延伸率大于12％，冲击韧性大于50j/cm2。
13、本发明还提供了上述方案所述的高强度、高冲击韧性近β钛合金的制备方法，包括以下步骤：
14、按照上述方案所述高强度、高冲击韧性近β钛合金的化学元素组成，将原材料进行熔炼，得到钛合金铸锭；
15、将所述钛合金铸锭进行热变形加工，得到钛合金胚体；
16、将所述钛合金胚体进行热处理，得到所述高强度、高冲击韧性近β钛合金；所述热处理包括依次进行第一保温、第一冷却、第二保温和第二冷却；所述第一保温的温度为800～900℃，保温时间为1～4h；所述第一冷却为自第一保温的温度炉冷至第二保温的温度；所述第二保温的温度为500～600℃，保温时间为4～8h；所述第二冷却为空冷。
17、优选的，所述熔炼为真空电弧熔炼，所述熔炼的温度为2000～2500℃，熔炼次数为2～6次。
18、优选的，所述热变形加工包括依次进行开胚锻造和热轧。
19、优选的，所述开胚锻造的温度为1000～1200℃。
20、优选的，所述热轧的温度为900～1000℃，道次变形量为5％～10％，累积变形量大于50％。
21、本发明还提供了上述方案所述高强度、高冲击韧性近β钛合金或上述方案所述制备方法制备的高强度、高冲击韧性近β钛合金在石油工业领域的应用。
22、本发明提供了一种高强度、高冲击韧性近β钛合金，包括以下质量百分含量的化学元素：mo：3.2％～4.5％，cr：2.5％～4％，fe：0.5％～1.8％，al：0.5％～3％，余量为ti和不可避免的杂质；所述高强度、高冲击韧性近β钛合金的钼当量记为[mo]eq，[mo]eq的取值为：9<[mo]eq<11；所述高强度、高冲击韧性近β钛合金的金相组织包括粗α片层组织和细α片层组织。当前应用的钛合金通常包含α相和β相，其中α相为hcp结构(硬质)，β相为bcc结构(软质)，两者硬度和模量差异较大，导致变形过程中应变不协调，裂纹易在β/α相界面处萌生，从而降低材料的塑性和韧性。本发明采用mo、cr、fe元素作为β稳定元素，不仅可以稳定β相，还可以强化β相，有效缩小β相与α相的硬度和模量的差距，从而缓解β相与α相界面处的应力集中，提升钛合金的塑性和韧性。al作为主要的α稳定元素，起到强化α相、提升材料强度的作用。同时，本发明通过大量研究，发现当[mo]eq处于9～11时，可将高温下的亚稳β相保留至室温，经过低温时效可以析出细小的α相，从而显著提高合金的强度。因此，本发明通过钛合金成分的设计，不仅显著提升了材料强度，还有效缩小了两相之间的硬度和模量差距，缓解界面应力集中现象，从而实现塑性和韧性的协同提升。
23、此外，本发明提供的钛合金具有由粗α片层和细α片层的异构片层组织，其中粗α片层有利于提升塑性和韧性，细α片层能够显著提高合金的强度，通过对钛合金的组织调控，在兼顾高强度的同时，大幅提升了钛合金的塑性和韧性。
24、本发明还提供了上述方案所述高强度、高冲击韧性近β钛合金的制备方法。本发明通过优化热处理工艺，实现了具有粗细α片层的异构片层组织的构建，热处理的具体原理如下：首先在β相区进行热处理获得高温β相，随后炉冷的过程中，由于冷却速度较慢，α相逐渐长大，形成了粗大的α片层；最后在低温时效阶段(即第二保温)，由于温度较低，α相的生长速率受限，析出细小的α片层。通过上述热处理方法，最终得到了由粗大α片层和细小α片层组成的异构片层组织，在兼顾高强度的同时，大幅提升了钛合金的塑性和韧性。
25、综上所述，本发明提供的钛合金兼具高强度以及良好的塑性和韧性，实现了强度、塑性和冲击韧性的优异匹配，在石油工业领域具备广阔的应用前景。
1.一种高强度、高冲击韧性近β钛合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的化学元素：mo：3.2％～4.5％，cr：2.5％～4％，fe：0.5％～1.8％，al：0.5％～3％，余量为ti和不可避免的杂质；
2.根据权利要求1所述的高强度、高冲击韧性近β钛合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的化学元素：mo：3.58％，cr：2.97％，fe：1.06％，al：1.06％，余量为ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的高强度、高冲击韧性近β钛合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的化学元素：mo：3.50％、cr：2.97％、fe：0.98％，al：2.01％，余量为ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的高强度、高冲击韧性近β钛合金，其特征在于，所述高强度、高冲击韧性近β钛合金的抗拉强度大于1000mpa，屈服强度大于900mpa，断裂延伸率大于12％，冲击韧性大于50j/cm2。
5.权利要求1～4任意一项所述的高强度、高冲击韧性近β钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼为真空电弧熔炼，所述熔炼的温度为2000～2500℃，熔炼次数为2～6次。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热变形加工包括依次进行开胚锻造和热轧。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述开胚锻造的温度为1000～1200℃。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热轧的温度为900～1000℃，道次变形量为5％～10％，累积变形量大于50％。
10.权利要求1～4任意一项所述高强度、高冲击韧性近β钛合金或权利要求5～9任意一项所述制备方法制备的高强度、高冲击韧性近β钛合金在石油工业领域的应用。