一种高强高拉伸塑性的钛基轻质高温合金及制备和应用

本发明属于多主元合金领域，具体涉及一种高强高拉伸塑性的钛基轻质高温合金及制备和应用。

背景技术：

1、结构材料轻量化能够减轻部件重量、提高能源利用效率节约资源、减少环境污染，在航空航天、能源交通等领域得到广泛应用。然而，金属结构材料的强塑性通常不能兼顾，且强度一般随合金密度的下降而降低。随着我国航空航天等领域的快速发展，未来装备可能面临更为严酷的服役环境，尤其是高温环境对结构材料的性能提出了更为苛刻的要求。但是，传统的金属结构材料在以单主元为主的设计理念下，逐渐趋近于性能瓶颈，从而限制了常规轻质合金在实际工程领域中的进一步发展与应用，亟需颠覆性的新型合金设计理念来指导合金设计和性能调控。

2、多主元合金的出现，带来了一种全新的合金设计理念，由多种元素以等原子比或近等原子比的成分，组成的原子排列化学无序的结构特征过饱和固溶体，为新型轻质材料的设计提供了新的设计思路。由于多主元合金晶格畸变大，性能受限于每一种组元，所以拥有巨大的合金设计和开发空间。然而，多主元合金自出现以来，被研究的体系大多以过渡族元素和难熔元素为主，由于这些元素密度普遍较大，导致所制备的高温合金密度相对较高(>8 g·cm-3)，从而限制了其在实际工程，如航空航天领域的应用。基于多主元合金的轻量化设计而开发的新型轻质高温合金，具有较高的比强度、低密度及良好的耐蚀性能等突出特点，这些轻质材料在民航发动机、军用战斗机、航天飞行器等国防工业领域，以及能源交通等领域显示出巨大的工程应用潜力。

3、当前所研究的轻质高温合金体系主要采用al、ti、v等轻元素进行合金设计，根据组成元素和含量的不同，其密度主要分布在1.5 - 6.5 g·cm-3范围内。然而，由于各组元原子半径差较大，混合焓较低，所以这些轻质合金通常包含大量的脆性析出相（如金属间化合物和有序相等），使得其室温塑性较差、难以进行后续加工，极大地限制了轻质高温合金的适用范围。因此，开发兼具高强度和足够的拉伸塑性，并且兼顾优异高温性能的轻质高温合金仍然是一项重要且富有挑战性的工作。同时，对促进轻质合金材料的更新换代、推进其工业化应用具有重要的工程意义。

技术实现思路

1、本发明公开了一种高强高拉伸塑性的钛基轻质高温合金及制备和应用，已解决上述技术问题以及现有技术中的其他技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高强高拉伸塑性的钛基轻质高温合金及制备和应用，该钛基轻质高温合金的化学式为tiavbnbcaldcrezrisij，各个成分的原子比为：50 ≤a≤ 70 at%，0＜b ≤30 at%，0＜c≤ 20 at%，0＜d ≤25 at%，0＜e≤20at%， i≥0 at%, 0＜j≤5 at%，且a+b+c+d+e+i+j =100 at%。

3、进一步，当a = 50 at%，b = 14.8 at%，c = 15 at%，d = 10 at%，e= 5 at%，i = 5at%，j= 0.2 at%，则轻质高温合金的化学式为ti50v14.8nb15al10cr5zr5si0.2，合金的室温抗拉强度为1116 mpa，拉伸塑性为7.5%，800℃抗拉强度为606 mpa，拉伸塑性为47%，密度为5.392 g·cm-3。

4、进一步，当a = 50 at%，b = 14.6 at%，c = 15 at%，d = 10 at%，e= 5 at%，i = 5at%， j= 0.4 at%，则轻质高温合金的化学式为ti50v14.6nb15al10cr5zr5si0.4，合金的室温抗拉强度为1190 mpa，拉伸塑性为11%，800℃抗拉强度为697 mpa，拉伸塑性为61%，密度为5.383 g·cm-3。

5、进一步，当a = 59.6 at%，b = 8 at%，c = 9 at%，d = 13 at%，e= 5 at%， i = 5at%， j= 0.4 at%，则轻质高温合金的化学式为ti59.6v8nb9al13cr5zr5si0.4，合金的室温抗拉强度为1206 mpa，拉伸塑性为12%，800℃抗拉强度为445 mpa，拉伸塑性为73%，密度为4.982g·cm-3。

6、进一步，当a = 60 at%，b = 10.4 at%，c = 10 at%，d = 13 at%，e= 5 at%， i =0 at%， j= 1.6 at%，则钛基轻质高温合金的化学式为ti60v10.4nb10al13cr5si1.6，合金的室温抗拉强度为1093 mpa，拉伸塑性为12%，800℃抗拉强度为352 mpa，拉伸塑性为81%，密度为4.899 g·cm-3。

7、当a = 60 at%，b = 10.2 at%，c = 10 at%，d = 13 at%，e= 5 at%， i = 0 at%，j = 1.8 at%，则轻质高温合金的化学式为ti60v10.2nb10al13cr5si1.8，合金的室温抗拉强度为1116 mpa，拉伸塑性为10.5%，800℃抗拉强度为359 mpa，拉伸塑性为88%，密度为4.891 g·cm-3。

8、本发明的另一目的是提供上述钛基轻质高温合金的制备方法，步骤如下：

9、s1）选用高纯度(≥ 99.9 wt%)金属及非金属单质原料，使用砂轮和砂纸将金属表面的氧化皮打磨干净，并采用超声清洗机使用工业无水酒精对原料进行清洗、烘干；根据各合金组元的原子百分比将其换算成质量比，使用电子天平精确称量（精度为0.001 g）各元素所需质量，进行配料；

10、s2）将称量好的原料根据其熔点高低依照由低到高的顺序（即熔点低的放下层，熔点高的放上层）以及钛锭放入非自耗真空电弧炉的铜坩埚中（易挥发元素置于下层）；然后对炉腔进行抽真空，当低真空度达到1.0 × 100-5.0 × 100pa时，关闭低真空阀门；打开高真空阀门，抽高真空，当高真空度达到1.0 × 10-4- 8.0 × 10-4pa时，关闭高真空阀门，并向炉腔内充入高纯氩气至0.047 mpa（允许上下波动0.002mpa），如此反复两次，以降低炉腔内的氧含量；

11、s3）在高纯氩气的保护下进行起弧熔炼，首先熔化钛锭，从而进一步降低炉腔内氧含量，然后对各组分的合金原料进行熔炼、冷却得到合金铸锭，每个锭子熔炼时间约2.5min；为了得到化学成分均匀的合金铸锭，每次熔炼待合金锭冷却后，使用翻料铲将合金锭翻转并倾斜贴放于坩埚壁上，如此反复共进行六次熔炼，其中，合金熔炼三次后需再次对炉腔抽真空并充入高纯氩气；

12、s4）待母合金充分熔炼均匀后，将其滴/浇铸到水冷铜模中，最终获得特定形状的合金铸锭。

13、对于合金成分中含有al、v等易烧损的元素时，在进行步骤1称量时，应将其过量0.05%以补偿熔炼过程中的烧损。

14、进一步，所述方法制备的钛基轻质高温合金具有简单体心立方结构，及弥散分布的纳米级析出相，合金的密度为4.88 – 5.40 g·cm-3，抗拉强度在843-1124 mpa，断裂延伸率大于10%,800℃抗拉强度在229-697 mpa,断裂延伸率大于20%。

15、一种上述的钛基轻质高温合金在能源交通和航空航天领域中应用。

16、本发明主要根据各组元元素的本征特性，通过调控各元素的含量和合金的价电子浓度来进行合金设计，具体来讲就是，首先选取密度较小的ti、v、nb、al等元素根据混合法则来确保所设计合金的低密度；文献调研可知，v、nb元素具有较好的本征塑性，在进行合金设计时进行适量的添加，但考虑到v 对抗氧化性不利，nb元素的密度较大，应控制该元素的添加量；根据bcc难熔高熵合金的设计经验规律，合金体系的价电子浓度小于4.6时往往表现出一定的塑性变形能力，故此，在进行合金设计时，低价电子浓度的元素含量应尽量高些；此外，为了保证所设计的合金保有高强度，还可添加少量原子尺寸错配度较大的元素，通过促进固溶强化作用来提高合金的强度，除此之外，非合金元素si的加入可以在合金中引入纳米级析出相，其均匀分布于合金基体中，在合金变形过程中与位错相互作用，起到第二相强化的作用。综合上述设计准则，最终设计制备出同时具有低密度、室温高温高拉伸强度和良好拉伸塑性等优异性能的钛基轻质高温合金。

17、本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明涉及的高熵合金主要是根据各组元元素的本征特性通过调控各元素的含量和合金的价电子浓度来进行合金设计，使其同时具有低密度、高强度和良好拉伸塑性等优异性能，对实现能源交通、航空航天等领域结构件的轻量化具有重要的意义和巨大的应用前景；

18、本发明所涉及的轻质高温合金均可采用非自耗真空电弧炉熔炼并直接滴/浇铸得到合金铸锭，制备方法操作简单易实施、制备过程无污染且具有较低的能耗和成本，可实现大规模的工业生产。