一种钛合金及其制备方法

1.本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种钛合金及其制备方法。


背景技术：

2.航空航天工业是世界各国的重要战略性产业，航空材料已成为世界各国发展航空航天事业重点发展方向之一。钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好等优点，被广泛应用于航空航天领域，是制造航空发动机、火箭和导弹的重要结构材料。随着航空航天工业的迅速发展，为了满足发动机低油耗、大推重比和高可靠性的设计目标，对发动机的材料提出了更高的要求。然而，传统结构用钛合金在室温下不仅延伸率低而且高温强度不足，已经无法满足发动机材料的需要。作为工程技术上适用的基础材料，特别是长期服役于严苛环境中的结构材料，必然适应产品更新换代所提出的更高的性能要求，不但要求材料具有高的强度，还必须同时保持好的韧性。如何克服强度和塑性的此消彼长，实现钛合金强韧一体化的性能要求，是本领域一直攻克的技术难题。
3.过去几十年研究中，科研人员纷纷采用各种办法来实现钛合金强度与塑性的匹配。纳米析出强化已经成为一种能同时提升强度和塑性的有效方法。现有的钛合金根据其相组成可分为α钛合金，β钛合金以及α+β两相钛合金。α+β两相钛合金由于两相间的变形协调作用，既具备α钛合金的高塑性，又兼有β钛的高强度。
4.中国专利文献cn112410612a于2020年10月29日公开了一种含fe、v、al合金元素的高性能α+β型钛合金及其制备方法，钛合金具有以下的组分和组分质量百分数：3.0-4.5wt％的铝，0.3-3.0wt％的铁，8.0-10.5wt％的钒，余量为钛和不可避免的杂质。该合金具有α+β两相结构，该合金的力学性能为：抗拉强度1000mpa，延伸率15％。该技术构思是利用廉价的合金元素部分取代钛合金中的昂贵元素来设计新型钛合金，实现了钛合金力学性能的提升，然而该含v钛合金的制造成本较为昂贵，可是现有低成本的钛合金的性能仍不理想，因此制备出具有高力学性能、且成本更低的钛合金对推动其民用领域的应用具有重要意义。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种钛合金，它具有强度高且延展性好的力学性能。本发明还提供一种该钛合金的制备方法，它通过热处理调控两相的组成及纳米析出相的尺寸、含量，从而提升钛合金强度和延展性。
6.为实现解决上述技术问题，本发明提供的一种钛合金，各主元的原子百分比为：ti：86at%，al：9at%，fe：2at%，mo：3at%。
7.本发明还提供上述钛合金的制备方法，包括以下步骤：步骤1、依据原子百分比对各主元进行称重，配制出所需的合金组分；步骤2、采用真空电弧熔炼法对配制的合金组分进行熔炼，制备钛合金铸锭；步骤3、对步骤2制得的钛合金试样进行固溶处理；
步骤4、对步骤3制得的钛合金试样进行热处理。
8.在所述步骤3中，固溶处理采用真空管式炉，固溶处理的温度为850～1600℃。
9.在所述步骤4中，热处理采用真空管式炉，热处理温度为650-850℃。
10.本发明以ti的α相为基体相，β相为纳米析出相，通过热处理方式调节析出相的尺寸及含量，可以获得优异力学性能的钛合金；al、fe、mo对钛合金具有良好的强化作用，同时al、fe价格低廉，将这些金属主元加入钛合金里，能有效提升钛合金的力学性能，同时大大降低生产成本。
11.本发明的优点是：本发明的钛合金压缩强度不低于1593mpa，断裂应变不低于20%，实现了高强度与优异延展性的良好匹配，又降低合金的生产成本。
12.本发明的制备方法简单，成本低，安全环保，能满足航空航天、武器装备等行业的使用需求，具有广泛的应用前景。
附图说明
13.本发明的附图说明如下：图1为本发明的合金的xrd图谱；图2为本发明的合金的微观组织结构；图3为本发明的钛合金压缩应力应变曲线；图4为本发明的钛合金的热力学计算相图；图5为本发明的钛合金与现有的钛合金的力学性能对比图。
具体实施方式
14.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：本发明的钛合金，各主元的原子百分比为：ti：86at%，al：9at%，fe：2at%，mo：3at%。
15.制备方法1、按以下步骤：步骤1、以钛颗粒（纯度99.9%）、铝颗粒（纯度99.9%）、铁颗粒（纯度99.9%）、钼颗粒（纯度99.9%）作为原料，依据上述配比采用电子天平对各主元进行称重，配制出所需的合金组分，合金的总质量为20g，其中ti为25.95g，al为1.53g，fe为0.7g，mo为1.82g；步骤2、采用真空非自耗电弧熔炼炉对配制好的合金组分进行熔炼5次制得钛合金铸锭，电弧熔炼参数如下：熔炼炉电流为70～100a、熔炼温度3000℃以上、熔炼一次的时间为5～20min、真空度为6.6
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pa；步骤3、通过真空管式炉对所制得的钛合金样品进行固溶处理，固溶温度为910℃，从20℃开始升温，升温速率为10℃/min，保温时间为30min，保温结束后，通过水淬快速冷却至室温；步骤4、通过真空管式炉对固溶处理后的钛合金样品进行热处理，热处理温度为700℃，从20℃开始升温，升温速率为10℃/min，保温时间为120min，保温结束后，通过水淬快速冷却至室温，得到最终成品。
16.性能测试：采用gb/t 7314-1987测试标准，用电子万能试验机测量材料的压缩强度及断裂应
a.2021. 826. （abdulaziz kurdi, ak basak.选择性激光熔化ti6al4v在压缩下的微机械行为[j].材料科学与工程a.2021.826.）；2、mohamedg elkhateeb, yungc shin. analysis of the effects ofmicrostructure heterogeneity on themechanical behavior of additively manufactured ti6al4v using mechanics of structure genome [j]. materials and design.2021.204. （mohamedg elkhateeb, yungc shin.利用结构基因组力学分析微观结构异质性对增材制造ti6al4v力学行为的影响[j].材料与设计.2021.204.）；3、 baoguo yuan, jiangfei du, xiaoxue zhang, et al. microstructures and room-temperature compressive properties of ti6al4v alloy processed by continuous multistep hydrogenation treatment[j]. international journal of hydrogen energy.2020.45（46）:25567-25579.（baoguo yuan, jiangfei du, xiaoxue zhang等人. 连续多步加氢处理的ti6al4v合金的微观结构和室温压缩性能[j]. 国际氢能杂志.2020.45（46）:25567-25579.）；4、葛浩龙. ti-al-fe基合金的组织及力学性能研究[d]. 河北:燕山大学. 2018；5、 徐彦强. ti-b20高强β钛合金压缩性能及高温变形行为研究[d]. 黑龙江:哈尔滨工业大学. 2017；6、杨海瑛, 刘全明. 高强ti-26合金室温压缩性能和显微组织演变研究[j]. 稀有金属材料与工程. 2018. 47(4) :1232-1237；7、徐再东. 新型高强韧钛合金的成分设计与组织性能研究[d]. 辽宁:沈阳航空航天大学. 2019。
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从图5看出：本发明的钛合金与现有的钛合金材料相比，具有高强度和良好的延展性。本发明用fe、mo等廉价合金取代了昂贵的金属钒v，本发明钛合金的生产成本较低。