一种超高强高韧性钛合金及其制备方法与流程

本发明涉及一种超高强高韧性钛合金及其制备方法，属于金属材料制备。

背景技术：

1、钛合金由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好的优点，在航空航天、舰船、国防军工众多领域得到了广泛应用。随着飞行器领域对减重和承载能力要求的提高，传统的高强钛合金（如tc4、tc11，强度等级在900~1100mpa）已难以满足主承力部件的设计要求。相关技术中，实现钛合金超高强度通常通过添加大量的β稳定元素（如v、fe元素），并结合复杂的变形热处理工艺。然而，此类合金存在强度与韧性难以兼顾的问题，即通过添加β稳定元素（如v）虽可提高强度，但过量添加会导致β相粗化、次生α相尺寸失控，造成韧性急剧下降，mo、cr类强β稳定元素的添加虽能提升强度，但会显著降低β相变点，使得传统的β锻造窗口变窄，极易因温度波动导致β晶粒异常长大，从而劣化韧性；此外，单纯依靠β锻造虽然能获得高强度，但容易导致晶粒粗大；而单纯的两相区加工虽然塑性好，但强度提升有限。热处理工艺存在粗放化问题，难以在微米-纳米双尺度上协同调控组织，如nb、mo类难熔元素扩散慢，常规的高温单次大变形工艺无法有效破碎铸态晶界，导致元素偏析遗传至最终产品，造成性能不稳定；单一固溶时效处理难以实现次生α相的稳定析出与均匀分布，导致强化效果不稳定，且难以实现强度与韧性的协同优化。

2、针对上述问题，本发明提出了一种合金组成原子比、多级镦拔锻造、梯度控温锻轧、热处理协同作用的超高强高韧性钛合金制备方法，通过原子比约束的成分设计、梯度控温锻轧与分段时效工艺的协同，在实现钛合金抗拉强度≥1500mpa、延伸率≥8%的基础上，进一步实现了断裂韧性kic≥65mpa·m1/2的超高强高韧性钛合金制备，在不损失强度的前提下，实现了高合金化钛合金组织均匀性和晶粒细化。

技术实现思路

1、针对相关技术的不足，本发明提供了一种超高强高韧性钛合金及其制备方法，可实现超高强度和高韧性钛合金的稳定制备，解决了钛合金在强度和韧性难以平衡的问题。

2、本发明的目的之一在于提供一种超高强高韧性钛合金，所述超高强高韧性钛合金的组分以质量百分比计包括：4.8~5.4%的al、7.8~8.3%的mo、2.8~3.4%的cr、1.8~2.5%的nb，余量为ti和不可避免的杂质，且组分的原子比关系为：

3、(al+cr)/mo=2.7~3.0；

4、(nb+mo)/ti=0.05~0.07。

5、本发明的另一目的在于提供一种超高强高韧性钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：

6、（1）原料熔炼：按比例称取海绵钛、纯al粒、纯cr粒、ti-32mo中间合金和ti-45nb中间合金原料，将原料混合后压制成电极，对电极进行熔炼，得到铸锭。

7、（2）多级镦拔锻造：对铸锭加热并保温，之后进行镦粗变形和拔长变形处理，得到多级镦拔锻造处理后的锻坯。

8、（3）梯度控温锻轧：将多级镦拔锻造处理后的锻坯进行三阶段拔长处理，得到锻棒，对锻棒进行加热并保温，随后进行轧制变形，得到轧制棒材。

9、（4）热处理：对轧制棒材依次进行固溶处理和时效处理，得到超高强高韧性钛合金。

10、更优选的，所述步骤（1）电极熔炼的方式为真空自耗熔炼。

11、更优选的，所述步骤（1）原料混合后压制成电极的条件为：采用300~350mpa压强双向冷压并保压15~30s，在惰性气氛（如氩气气氛）下等离子焊拼接，得到电极；所述电极熔炼的条件为：在真空度为10-2~10-3pa下，以1700~2000℃的电弧温度进行熔炼，熔炼后冷却，重复熔炼三次。

12、优选的，所述步骤（2）铸锭加热并保温的条件为：以8~10℃/min的升温速率将铸锭加热至1090~1110℃并保温2h。

13、优选的，所述步骤（2）镦粗变形和拔长变形处理重复进行两次；所述镦粗变形的总变形量为40~50%；所述拔长变形的总变形量为50~60%；所述镦粗变形和拔长变形处理每次变形的应变速率为0.01~0.1s-1。

14、更优选的，所述步骤（2）每次镦粗变形和拔长变形处理后，当锻坯表面温度为600~700℃，回炉保温30~90min。

15、优选的，所述步骤（3）三阶段拔长处理具体为：第一阶段：先在870~910℃保温30~60min，之后进行一次变形量为10~15%的拔长处理；第二阶段：先在820~840℃保温30~60min，之后进行一次变形量为10~15%的拔长处理；第三阶段：先在780~800℃保温30~60min，之后进行一次变形量为20~30%的拔长处理。

16、更优选的，所述步骤（3）第三阶段的拔长处理温度≥760℃。

17、优选的，所述步骤（3）锻棒进行加热并保温的条件为：在790~810℃保温20~40min。

18、优选的，所述步骤（3）轧制变形的条件为：单次轧制变形量为15~20%，轧制总变形量为35~60%。

19、更优选的，所述步骤（3）轧制变形的轧辊温度为150~200℃。

20、优选的，所述步骤（4）固溶处理的条件为：在800~850℃进行30~45min的固溶处理，之后冷却（如空冷）。

21、优选的，所述步骤（4）时效处理的条件为：采用分段升温，先以5~10℃/min的升温速率升温至325~535℃并保温0.5~1h，之后升温至475~635℃保温6~8h，然后冷却（如空冷）。

22、更优选的，所述步骤（4）时效处理的条件为：采用分段升温，先以5℃/min的升温速率升温至420~500℃并保温1h，之后以10℃/min的升温速率升温至495~620℃保温6h，然后冷却（如空冷）。

23、采用本发明的镦粗变形和拔长变形处理可实现锻坯内部组织的均匀变形，避免产生裂纹。

24、采用本发明的分段升温方式进行时效处理，提高了时效均匀性。

25、本发明的合金组成与制备工艺之间具有协同作用，本发明的组分原子比关系，使合金在后续热加工和热处理过程中具备适宜的相变温度和β相稳定性；配合多级镦拔锻造，可实现锻坯内部组织的均匀变形，避免单一方向锻造造成的变形不均匀和晶粒破碎不充分；在此基础上，梯度控温锻轧实现降温拔长，配合变形量，在不同温度区间对晶粒进行逐步细化，可有效抑制β晶粒粗化并促进初生α相的弥散析出；最后，分段时效工艺使合金元素在较低温度下预先均匀化，再于高温下促进纳米级次生α相均匀弥散析出。通过上述成分、变形和热处理各环节的配合，最终获得包含微米级初生α相和纳米级次生α相的双态组织，两种尺度的α相协同发挥强化和韧化作用，从而使钛合金同时具备抗拉强度>1500mpa、屈服强度>1450mpa、延伸率>8%和断裂韧性kic≥65mpa·m1/2的综合力学性能。

26、本发明的机理：

27、本发明的合金组成原子比、多级镦拔锻造、梯度控温锻轧、热处理（固溶与时效处理）产生协同作用，共同作用实现了钛合金强度和韧性的提升；本发明通过合金组成与制备工艺的协同作用使β相稳定性与α相体积分数实现平衡，避免脆性相（如ti3al）析出，强化α相，抑制β晶粒长大；且β基体固溶强化效果优异，避免了对合金材料韧性的劣化作用，且本发明实现了β晶粒的明显细化，抑制脆性ω相产生；本发明由于合金组成原子比、多级镦拔锻造、梯度控温锻轧、热处理工艺的协同作用，使钛合金产物中含有微米级初生α相与纳米级次生α相，二者形成协同强化，以使钛合金具有超高强度与优异韧性。本发明制备工艺间产生协同作用，使得制备得到的钛合金晶粒得到细化，内部组织变形均匀。本发明的固溶处理有利于合金元素充分溶解于β相中，形成均匀的固溶体，为后续时效处理提供良好的组织基础；时效处理使固溶处理后的过饱和固溶体中析出细小弥散的强化相，促进纳米级次生α相弥散分布，提高合金的强度和硬度；此外，本发明的时效处理实现了合金元素在较低温度下的均匀化分布，降低后续高温时效时的形核势垒，有利于细小弥散的次生α析出相均匀析出，提高时效效果的均匀性。

28、本发明的有益效果：

29、（1）本发明制备的钛合金由于动态再结晶与应变诱导细化共同作用，形成均匀双态结构组织，包含：初生α相（体积分数10~20%，平均尺寸≤5μm）；β转变组织（β基体中弥散分布纳米级次生α析出相，尺寸50~200nm）；本发明的微米级初生α相与纳米级次生α相的协同强化，为提升钛合金的强度和韧性提供基础。

30、（2）本发明制备的超高强高韧性钛合金抗拉强度>1500mpa，屈服强度>1450mpa，延伸率>8%，三点弯曲断裂韧性大于65mpa·m1/2，具有广阔的应用前景。

31、（3）本发明通过合金成分、原子比关系以及制备工艺的协同作用，成功制备出了具有超高强度和高韧性的钛合金，打破了传统钛合金在强度和韧性平衡方面的局限。

32、（4）本发明的制备与热处理方法具有良好的可重复性和稳定性，能够实现工业化生产，为高性能钛合金的广泛应用提供了工艺基础。