一种Ti-Al-Zr-Mo-V系高强钛合金及制备方法与流程

本发明属于钛合金，具体涉及一种ti-al-zr-mo-v系高强钛合金及制备方法。

背景技术：

1、钛合金因具有比强度大、耐腐蚀性好的优点，广泛应用于航空航天领域。中强钛合金的典型牌号ta15钛合金名义成分为ti-6al-2zr-1mo-1v，具有较高的比强度，良好的热稳定性和焊接性能，广泛应用于飞机结构件领域，常规棒材的室温抗拉强度范围为(930～1000)mpa。

2、通过提高钛合金的强度水平，有利于飞机轻量化发展，而化学成分调整是一种有效提高强度的措施。目前，常规ta15合金强度级别低于1000mpa，棒材面缩平均值低于30％，强度以及塑性水平都有待提高。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种ti-al-zr-mo-v系高强钛合金及制备方法，该钛合金的抗拉强度为1000～1230mpa、面缩平均值≥30％，钛合金强度提升，且塑性水平无明显降低。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种ti-al-zr-mo-v系高强钛合金，其特征在于，该ti-al-zr-mo-v系高强钛合金成分按照重量百分比计，包括al：6.1％～7.1％，mo：2.0％～4.0％，v：2.5％～3.9％，zr：2.0％～3.0％，余量为ti和不可避免的杂质。

4、优选的，所述ti-al-zr-mo-v系钛合金中，ti元素由二氧化钛和海绵钛引入，al元素由铝豆及铝钒合金引入，zr元素由海绵锆引入，mo元素由铝钼合金引入，v元素由铝钒合金引入；其中，al元素首先以铝钒合金、铝钼合金引入，不足量以铝豆引入。

5、一种ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6、步骤1，将原料按重量百分比混合均匀后，压制成电极块，将电极块串连夹紧，焊接为自耗电极；

7、步骤2，将步骤1得到的自耗电极进行三次真空熔炼，得到ti-al-zr-mo-v系高强钛合金铸锭；

8、步骤3，对步骤2获得的铸锭进行开坯锻造、中间坯锻造、摔圆锻造以及热处理获得ti-al-zr-mo-v系高强钛合金。

9、优选的，所述开坯锻造是将铸锭加热至相变点以上100℃～180℃，进行一火次锻造，然后回炉至相变点以上20℃～100℃保温后，再进行一火次锻造，终锻温度不低于700℃，其中，镦拔锻比控制在1.3～2.3之间，锻后将坯料在空气中冷却。

10、优选的，所述中间坯锻造是将开坯锻造后的坯料在相变点以上100℃至相变点以下60℃加热保温，进行2～6火次锻造，锻造过程可适当进行换向镦拔，镦粗与拔长锻比控制在1.1～2.0之间，终锻温度不低于650℃。

11、优选的，所述摔圆锻造是将中间坯锻造后的坯料在相变点以下30℃～60℃加热保温，进行1～3火次拔长摔圆，锻比控制在1.1～2.0之间，终锻温度不低于650℃，最终制成棒材。

12、优选的，所述热处理是将摔圆锻造后制成的棒材取样，进行普通退火热处理或者固溶与时效热处理。

13、优选的，所述普通退火热处理制度为：在820℃～860℃热处理2小时后空冷；所述固溶时效热处理制度为：首先在该钛合金的β相变温度以下50℃～65℃固溶处理2小时，空冷后，在580℃～600℃时效处理6小时，空冷。

14、本发明的有益效果是：

15、1、本发明设计的ti-al-zr-mo-v系高强钛合金，与传统ta15钛合金相比，增加β稳定性元素mo、v的含量，其中mo元素含量增加不仅可以提高位错运动的阻力使合金强度提高；也能有效细化合金晶粒，根据hall-petch公式σs＝σ0+kd-1/2，其中，σs为屈服强度；d为晶粒直径，合金的屈服强度随晶粒直径的减小而增大。v元素含量增加，降低了α相的c/a值，促进α相滑移，从而降低合金流变抗力，提高合金的室温塑性。同时由于β稳定元素含量的增加，显微组织较传统ta15合金而言，二次α相片层厚度逐渐变薄，强度水平提升。

16、2、本发明提供的一种ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的制备方法，棒材锻造工艺采用换向镦拔、摔圆等相结合的变形方式，使坯料各个位置的变形均匀性提升；通过严格控制加热温度、变形量、变形方式、终锻温度以及合理的热处理制度，最终使ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的室温抗拉强度达到1000～1230mpa、面缩平均值≥30％，与常规ta15钛合金相比，实现强度提升，且塑性水平无明显降低。

17、3、本发明提供的一种ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的制备方法，铸锭熔炼过程中选用粒度直径在0.83mm～12.7mm的0级海绵钛可以减少海绵钛中杂质含量，提高铸锭纯净性；mo元素熔点高，因此采用moal中间合金的形式加入，为进一步提高mo元素成分均匀性及消除难熔点，moal中间合金粒径控制在1mm以内。

技术特征：

1.一种ti-al-zr-mo-v系高强钛合金，其特征在于，该ti-al-zr-mo-v系高强钛合金成分按照重量百分比计，包括al：6.1％～7.1％，mo：2.0％～4.0％，v：2.5％～3.9％，zr：2.0％～3.0％，余量为ti和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的ti-al-zr-mo-v系高强钛合金，其特征在于，所述ti-al-zr-mo-v系钛合金中，ti元素由二氧化钛和海绵钛引入，al元素由铝豆及铝钒合金引入，zr元素由海绵锆引入，mo元素由铝钼合金引入，v元素由铝钒合金引入；其中，al元素首先以铝钒合金、铝钼合金引入，不足量以铝豆引入。

3.一种权利要求1-2任一所述的一种ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的制备方法，其特征在于，所述开坯锻造是将铸锭加热至相变点以上100℃～180℃，进行一火次锻造，然后回炉至相变点以上20℃～100℃保温后，再进行一火次锻造，终锻温度不低于700℃，其中，镦拔锻比控制在1.3～2.3之间，锻后将坯料在空气中冷却。

5.根据权利要求3所述的ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的制备方法，其特征在于，所述中间坯锻造是将开坯锻造后的坯料在相变点以上80℃至相变点以下60℃加热保温，进行2～6火次锻造，锻造过程可适当进行换向镦拔，镦粗与拔长锻比控制在1.1～2.0之间，终锻温度不低于650℃。

6.根据权利要求3所述的ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的制备方法，其特征在于，所述摔圆锻造是将中间坯锻造后的坯料在相变点以下30℃～60℃加热保温，进行1～3火次拔长摔圆，锻比控制在1.1～2.0之间，终锻温度不低于650℃，最终制成棒材。

7.根据权利要求3所述的ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的制备方法，其特征在于，所述热处理是将摔圆锻造后制成的棒材取样，进行普通退火热处理或者固溶与时效热处理。

8.根据权利要求7所述的所述的ti-al-zr-mo-v系高强钛合金的制备方法，其特征在于，所述普通退火热处理制度为：在820℃～860℃热处理2小时后空冷；所述固溶时效热处理制度为：首先在该钛合金的β相变温度以下50℃～65℃固溶处理2小时，空冷后，在580℃～600℃时效处理6小时，空冷。

技术总结本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种Ti‑Al‑Zr‑Mo‑V系高强钛合金及制备方法，将该钛合金原料混匀，焊接为自耗电极，经过三次真空自耗熔炼得到铸锭，对铸锭进行开坯锻造、中间坯锻造、摔圆锻造以及热处理后获得Ti‑Al‑Zr‑Mo‑V系高强钛合金；其中，Ti‑Al‑Zr‑Mo‑V系高强钛合金成分按照重量百分比计，包括Al：6.1％～7.1％，Mo：2.0％～4.0％，V：2.5％～3.9％，Zr：2.0％～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。该钛合金的抗拉强度为1000～1230MPa、面缩平均值≥30％，钛合金强度提升，且塑性水平无明显降低。技术研发人员：刘向宏,王涛,杨恬,杜予晅,张慧杰,王凯旋,和永岗,冯勇受保护的技术使用者：西部超导材料科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/1