一种具有稳定细晶组织的TiOFe系合金及其制备方法和应用

本发明涉及钛合金，具体涉及一种具有稳定细晶组织的tiofe系合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钛是重要的结构金属之一，地壳中储量丰富，其含量占地壳质量的0.61%，在所有元素中含量居第十位。钛性能优异，具有较高的比强度、低密度、优异的生物相容性和耐腐蚀性，被誉为“战略金属”、“第三金属”及“海洋金属”，是极具发展前景的结构材料。具体来看，钛及钛合金具备以下优良特性：熔点高，比铁、镍都要高，作为耐热材料有很大的潜力，钛的热膨胀系数较小，高温条件下或热加工过程中产生较小的热应力；密度小，密度4.51g/cm3，钛合金的密度约为钢的60%、铜的50%、铝的1.8倍。易加工成形，优异的耐腐蚀性能，屈服强度较高，使得钛和钛合金冷变形成形时回弹性大，不易成形和矫直。如今钛合金相较于传统的3c用材具备显著优势，具有出色的强度、耐腐蚀性和轻量化特性。当下正加速导入3c领域，头部厂商加速布局。小米14pro 钛金属特别版相较普通版，机身中框升级为航天级99%高纯钛和高强铝合金材料。 同时，钛合金已被应用于 iphone 15 pro系列机身中框，荣耀及 oppo 折叠屏手机铰链，华为、苹果、三星智能手表表壳中。此外，在汽车工业、核工业、化工石化、牙科和医疗修复等领域也应用广泛，尤其在航天航空领域。然而，随着全球能源危机、环境污染以及国家安全等问题关注度持续增加，飞机结构的轻量化逐渐成为未来航空航天领域发展的重要方向。钛合金材料同传统金属材料相比，具有更轻的重量、更好的性能，能长期服役于高温、高压以及腐蚀环境中，目前钛合金材料在航空飞机中的使用程度已经成为衡量其技术先进程度的重要标志。经过大量调研发现，目前国内钛材的使用量极大，其中超过40%均来自国外进口，主要为高端的钛材，国内生产的钛合金主要是低端的丝材、带材和板材等。因此，如何设计并制造低成本且高强韧的钛合金尤为重要。针对一系列问题，本发明从合金设计根本出发，开展成分设计-微观组织调控和力学性能提升高通量研究方法，以解决无法获得强塑性匹配较好钛合金的难题。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的不足，主要针对现有技术中存在的无法获得稳定细晶组织且高强韧 tiofe合金的问题。本发明提供一种具有稳定细晶组织的tiofe系合金及其制备方法和应用，该合金通过调整tiofe合金棒材的成分设计（其中质量百分比fe ：2~6.0%；tio2：0.01~0.5%）和加工工艺参数，最终获得了一系列高性能合金棒材。

2、为了实现上述目的，本发明第一目的提供一种具有稳定细晶组织的tiofe系合金，所述合金原料包括以下质量百分比的组分：2~6.0%的fe，0.01~0.5%的tio2、余量为ti。

3、优选的，所述合金的屈服强度为556.9~1195.7mpa；抗拉强度为710.9~1241.5mpa；均匀伸长率为5.1~16.2%；断裂伸长率为5.1~29.5%。

4、本发明第二目的提供一种具有稳定细晶组织的tiofe系合金的制备方法，包括以下步骤：

5、按照用量称取原料，进行球磨混粉，获取金属粉末；

6、将金属粉末置于模具中，进行预压去除粉末之间过多的空隙，随后于800~1100℃下进行热压烧结，保温时长1~3h，获取金属块体；

7、使用机械加工法切削除去金属块体表面的石墨层及渗碳层，然后进行固溶处理，获取坯料；

8、将坯料置于有氩气气氛保护的热处理炉中，于900~1100℃下预热4~6min后，进行热挤压，即得具有稳定细晶组织的tiofe系合金。

9、优选的，所述进行预压去除粉末之间过多的空隙时，预压压力为5-10mpa。

10、优选的，所述热压烧结时的压力为30~50mpa。

11、优选的，所述固溶处理温度为900~1000℃，真空度为1×10-1~2×101pa。

12、优选的，所述热挤压时的挤压比≥36；挤压速度为4~8mm/s。

13、优选的，所述球磨混粉，包括：将原料倒入球磨罐中，并向球磨罐中充入惰性保护气体；采用直径为 2~5 mm的 al2o3球，其中球粉比为 2~5:1，球磨时间为 8~10 h。

14、优选的，所述球磨时设置转速为400-500r/min，正转2-5min，反转2-5min，停顿10-18min的球磨程序。

15、本发明第三目的提供一种具有稳定细晶组织的tiofe系合金在高强度耐腐蚀型材中的应用。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、本发明提供的一种具有稳定细晶组织的tiofe系合金及其制备方法和应用，本发明的细晶 tiofe系合金中通过调整纯铁和tio2粉末的质量比例巧妙地利用了fe和o元素在tiofe合金中各自的优势进而得到最优配比，使得细晶组织的保持效果非常显著。

18、本发明通过调整 tiofe系列合金的组织成分、粉末冶金、固溶处理以及热挤压工艺参数等，获得了不同系列具有稳定细晶组织且高性能的合金试件，由于fe元素的固溶体对合金织构取向存在显著差异，对α相取向有一定的选择性，随着固溶体中fe含量的增加，α相的优先生长方向更倾向于(0001)方向，更易变形。此外，氧原子与大量的螺位错和刃位错的相互作用使得多重滑移系在材料的塑性变形过程中容易被激活，结合α-ti相的细化和fe原子在β-ti相中的固溶化是综合性能提高的主要原因。最终其屈服强度可达556.9~1195.7mpa；抗拉强度可达710.9~1241.5mpa；均匀伸长率可达5.1~16.2%；断裂伸长率可达5.1~29.5%。

19、本发明获得的合金的晶粒尺寸的范围为：1.5~4.2μm，对后续此系列及相关合金的强韧化设计具有极大的指导意义。

技术特征：

1.一种具有稳定细晶组织的tiofe系合金，其特征在于，所述合金原料包括以下质量百分比的组分：2~6.0%的fe，0.01~0.5%的tio2、余量为ti。

2.根据权利要求1所述的具有稳定细晶组织的tiofe系合金，其特征在于，所述合金的屈服强度为556.9~1195.7mpa；抗拉强度为710.9~1241.5mpa；均匀伸长率为5.1~16.2%；断裂伸长率为5.1~29.5%。

3.一种权利要求1或2所述的具有稳定细晶组织的tiofe系合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的具有稳定细晶组织的tiofe系合金的制备方法，其特征在于，所述进行预压去除粉末之间过多的空隙时，预压压力为5-10mpa。

5.根据权利要求3所述的具有稳定细晶组织的tiofe系合金的制备方法，其特征在于，所述热压烧结时的压力为30~50mpa。

6.根据权利要求3所述的具有稳定细晶组织的tiofe系合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理温度为900~1000℃，真空度为1×10-1~1×101pa。

7.根据权利要求3所述的具有稳定细晶组织的tiofe系合金的制备方法，其特征在于，所述热挤压时的挤压比≥36；挤压速度为4~8mm/s。

8.根据权利要求3所述的具有稳定细晶组织的tiofe系合金的制备方法，其特征在于，所述球磨混粉，包括：将原料倒入球磨罐中，并向球磨罐中充入惰性保护气体；采用直径为2~5mm的 al2o3球，其中球粉比为 2~5:1，球磨时间为 8~10 h。

9.根据权利要求8所述的具有稳定细晶组织的tiofe系合金的制备方法，其特征在于，所述球磨时设置转速为400-500r/min，正转2-5min，反转2-5min，停顿10-18min的球磨程序。

10.一种权利要求1或2所述的具有稳定细晶组织的tiofe系合金在高强度耐腐蚀型材中的应用。

技术总结
本发明公开了一种具有稳定细晶组织的TiOFe系合金及其制备方法和应用，涉及钛合金技术领域。所述合金原料包括以下质量百分比的组分：2~6.0%的Fe，0.01~0.5%的TiO<subgt;2</subgt;、余量为Ti。本发明的细晶TiOFe系合金中通过调整纯铁和TiO<subgt;2</subgt;粉末的质量比例巧妙地利用了Fe和O元素在TiOFe合金中各自的优势进而得到最优配比，使得细晶组织的保持效果非常显著。

技术研发人员：沈将华,王秀霞
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/18