基于微合金化提升钛合金压缩蠕变性能的方法

本发明涉及金属材料加工与性能优化，具体而言涉及一种基于微合金化提升钛合金压缩蠕变性能的方法。

背景技术：

1、α+β型双相钛合金，例如，tc4钛合金（ti-6al-4v），凭借其优异的比强度、耐腐蚀性、生物相容性及良好的冷热加工性能，在航空航天、医疗器械、海洋工程等领域占据核心地位，尤其适用于制造发动机压气机叶片、机身结构件、人工关节、深海探测器壳体等关键部件。这类部件在服役过程中，常长期处于恒定载荷工况下，需具备优良的压缩蠕变性能——即抵抗长期压缩载荷下发生塑性变形和断裂的能力，其蠕变性能直接决定部件的服役寿命、运行安全性和可靠性，是α+β型双相钛合金在高端应用场景中亟待提升的核心性能指标之一。

2、微合金化是钛合金性能调控的重要手段，通过添加少量合金元素，在不显著改变基体基础特性的前提下，实现晶粒细化、相组成调控，进而改善合金力学性能。例如，现有研究已经证实fe、mo、cr等β稳定元素可以用于改性tc4钛合金，实现强度、韧性的提升，公开号为cn120905560a中国专利公开了一种fe-mo-cr微合金化高强高塑高韧钛合金，该方案通过fe-mo-cr协同调控亚稳β相，配合锻造、轧制、固溶时效整套工艺，依靠固溶强化、细晶强化以及trip相变效应，重点提升钛合金的拉伸强度、延伸率与断裂韧性，面向深海装备解决强韧匹配不足的问题。

3、但是，钛合金拉伸强韧性能的提升，并不代表其压缩蠕变性能会同步得到改善。拉伸性能评价材料受拉力作用下的屈服、断裂行为，关注裂纹萌生与扩展；而压缩蠕变是材料长期恒定压缩载荷下，位错滑移、攀移以及晶界滑移共同主导的缓慢塑性变形行为；二者的变形机制、失效机理存在本质区别，能够优化拉伸强韧性的成分与工艺方案，不一定能够改善，甚至还可能劣化压缩蠕变抗力。因此，该fe-mo-cr微合金化高强高塑高韧钛合金尽管具备优异的拉伸强韧指标，但并未实现压缩蠕变性能的定向提升。

4、除此之外，现有提升钛合金蠕变性能的方案大多针对高温蠕变，主要采用稀土、w、si等元素，依靠第二相强化实现抗蠕变，存在成本偏高、塑性易受损的问题，并不适用于钛合金室温高应力压缩蠕变的调控需求。

5、综上所述，目前尚缺少将成分设计、锻造工艺与微观组织调控协同，专门用于定向提升钛合金压缩蠕变性能的技术方案，难以满足航空航天、医疗器械、海洋工程领域构件长期承受恒定压缩载荷的实际服役要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于微合金化提升钛合金压缩蠕变性能的方法，提升钛合金长期载荷下的服役稳定性和使用寿命，满足航空航天、医疗器械等高端领域的应用需求。

2、根据本发明目的的第一方面，提供一种基于微合金化提升钛合金压缩蠕变性能的方法，包括原料配料、制备合金铸锭和铸锭的锻造的步骤；

3、其中，按质量百分比计，配料的原料组分包括al 5.2%~6.8%、v 2.80%~4.70%、fe0.10%~0.80%、mo 0.30%~0.90%、cr 0.50%~1.0%，余量为ti及不可避免的杂质；

4、所述锻造采用三火次β相区锻造与三火次α+β相区锻造组合的六火次的锻造工艺；通过梯度降温的多火次墩拔变形，驱动fe向β相富集以抑制β晶粒长大，进而细化α/β片层、增大相界阻碍面积，驱动mo固溶强化β相以增大位错运动阻力，驱动cr偏聚于α/β相界形成强化薄膜以阻碍位错穿越，同步实现晶粒细化、初生α相片层拉长、位错密度提升以及2°~10°的小角度晶界占比提高，定向提升钛合金的长期压缩蠕变抗力。

5、作为可选的实施方式，锻造后钛合金的初生α相体积占比为80%~90%；初生α相的粒径尺寸为：平均长度≥25 μm，平均宽度3 μm~5 μm，长径比6.0~7.0。

6、作为可选的实施方式，锻造后钛合金中2°~10°的小角度晶界占比≥40%。

7、作为可选的实施方式，锻造后钛合金的位错密度≥3.0×1014/m2。

8、作为可选的实施方式，所述三火次β相区锻造的温度区间为950 ℃~1150 ℃，所述三火次α+β相区锻造的温度区间为840 ℃~850 ℃。

9、作为可选的实施方式，所述三火次β相区锻造的具体过程如下：

10、第一火次β相区开坯锻造：锻造温度为1150 ℃，保温时间2 h~3 h，进行三镦三拔变形，单次变形量为25%~35%，锻后空冷，终锻温度不低于700 ℃；

11、第二火次β相区锻造：锻造温度为1050 ℃，保温时间1.5 h~2 h，进行两镦两拔变形后回火30 min～1 h，单次变形量为25%~35%，锻后空冷，终锻温度不低于700℃；

12、第三火次β相区锻造：锻造温度为950 ℃，保温时间1.5 h~2 h，进行两镦两拔变形后回火30 min~1 h，单次变形量为25%~35%，锻后空冷，终锻温度不低于650 ℃。

13、作为可选的实施方式，所述三火次α+β相区锻造的具体过程如下：

14、第四火次α+β相区锻造：锻造温度为850 ℃，保温时间1.5 h~2 h，进行两镦两拔变形后回火30 min~1 h，单次变形量为25%~35%，锻后空冷，终锻温度不低于650 ℃；

15、第五火次α+β相区锻造：锻造温度为840 ℃，保温时间1.5 h~2 h，进行两镦两拔变形后回火30 min~1 h，单次变形量为25%~35%，锻后空冷，终锻温度不低于650 ℃；

16、第六火次α+β相区锻造：锻造温度为840 ℃，保温时间1.5 h~2 h，进行两镦两拔变形后回火30 min~1 h，单次变形量为25%~35%，锻后空冷，终锻温度不低于650 ℃。

17、根据本发明目的的第二方面，提供一种采用前述方法处理获得的抗蠕变钛合金材料。

18、作为可选的实施方式，该钛合金材料的微观组织中，初生α相的体积占比为80%~90%，晶粒平均长度≥25 μm、平均宽度3 μm~5 μm、长径比6.0~7.0；2°~10°的小角度晶界占比≥40%；位错密度≥3.0×1014/m2。

19、根据本发明目的的第三方面，提供一种前述抗蠕变钛合金材料在制备承受恒定压缩载荷服役部件中的应用，所述部件包括航空发动机压气机叶片、机身承力结构件、医用人工关节、深海装备耐压壳体、深海探测器承力结构件。

20、由以上本发明的技术方案可见，本发明提出的基于微合金化提升钛合金压缩蠕变性能的方法，通过fe-mo-cr复合微合金化与六火次梯度墩拔锻造工艺耦合，实现组织与元素分布协同调控，其中，依靠锻造过程的温度-变形场驱动合金元素定向迁移重分布，驱动fe富集于β相并细化α/β片层、mo固溶强化β相基体、cr在α/β相界偏聚形成强化薄膜，同步获得高体积分数拉长柱状初生α相（体积占比为80%~90%，晶粒平均长度≥25 μm）、高占比2°~10°小角度晶界（占比≥40%）以及高位错密度（≥3.0×1014/m2）的微观组织，从抑制位错滑移、阻碍晶界滑移多维度降低稳态蠕变速率，减小长期恒压载荷下的累积蠕变变形；

21、本发明通过β相区、α+β相区分段梯度墩拔锻造，借助塑性变形提供原子短路扩散通道，驱动fe、mo、cr发生目标性的分相富集与相界偏聚，无需轧制破碎晶粒、无需固溶时效重新溶解析出，把微合金元素的强化作用锁定在抗蠕变的相界面与基体中，实现成分调控-变形驱动-组织演化-蠕变性能提升的链式协同；

22、本发明不需要引入昂贵稀土元素，也不会出现第二相析出带来的塑性损伤问题，在提升压缩蠕变性能的同时，保留α+β型双相钛合金基体固有的比强度、耐蚀性与加工工艺性能，实现抗压缩蠕变性能与基体综合性能的平衡。