一種含氧高強(qiáng)β鈦合金材料制備方法

本發(fā)明涉及一種新型含氧高強(qiáng)β鈦合金材料制備方法，屬于鈦合金材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、鈦合金以其卓越的性能組合——低密度(僅4.5g/cm3，約為鋼鐵的一半)、出色的比強(qiáng)度及優(yōu)異的耐腐蝕性，成為了航空航天、尖端武器及深海探索等領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。鈦合金在確保組件承載效能最大化的同時，實(shí)現(xiàn)了顯著的減重效果，對于提升飛行器性能、增強(qiáng)武器系統(tǒng)能力及拓寬深海探索邊界至關(guān)重要。鑒于鈦資源在地殼中豐富度排名第四，緊隨鋁、鐵、鎂之后，其大規(guī)模應(yīng)用潛力巨大。

2、高強(qiáng)β鈦合金的研發(fā)，特別是作為高強(qiáng)度鋼減重替代方案的出現(xiàn)，是材料科學(xué)的一項(xiàng)重大突破。從ti-13v-11cr-3al的開創(chuàng)性研發(fā)到ti-5al-5mo-5v-3cr-1zr的成熟應(yīng)用，這些材料不僅見證了強(qiáng)度與加工性能的顯著提升，尤其是ti-5al-5mo-5v-3cr-1zr，憑借其卓越的熱處理強(qiáng)化能力、高斷裂韌性和良好的熱穩(wěn)定性，成為新一代高強(qiáng)度機(jī)身部件的理想選擇。然而，面對高性能裝備的快速發(fā)展，現(xiàn)有β鈦合金的性能局限日益顯現(xiàn)，特別是在強(qiáng)度超過1300mpa時塑性急劇下降的問題(實(shí)施例1能體現(xiàn)克服這個嗎)，限制了其更廣泛的應(yīng)用潛力。因此，開發(fā)既能保持高強(qiáng)度又能兼顧良好塑性的新型β鈦合金，成為了滿足現(xiàn)代裝備高性能要求、克服“強(qiáng)塑倒置”難題的關(guān)鍵所在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決上述問題，創(chuàng)新提出一種新型含氧高強(qiáng)β鈦合金材料的制備工藝。結(jié)合感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)與傳統(tǒng)鍛造、軋制工藝，所制板材展現(xiàn)出卓越的抗拉強(qiáng)度與延伸率，綜合性能優(yōu)異。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案在于：一種新型含氧高強(qiáng)β鈦合金制備方法，特點(diǎn)是利用氧元素的固溶強(qiáng)化效應(yīng)及強(qiáng)α穩(wěn)定特性，誘導(dǎo)形成多尺度混晶結(jié)構(gòu)，確保合金強(qiáng)塑性兼?zhèn)?。此法通過標(biāo)準(zhǔn)工藝即可制得高性能β鈦合金，實(shí)現(xiàn)了材料性能與加工便捷性的完美結(jié)合。

3、本發(fā)明高強(qiáng)β鈦合金的成分(質(zhì)量百分比)為：mo?3.5-4.5％，cr?0.9-5％，v?2.5-3.5％，fe?0.45-2.05％，al?2.5-4.5％，o?0-0.6％且不為0，其余為ti。

4、其制備流程簡述如下：

5、(1)配料：選用高純原料，包括海綿鈦(99.5％)、al-mo中間合金(99.5％)、釩塊(99.5％)、高純鉻(99.9％)、鐵(99.9％)、鋁粒(99.9％)及二氧化鈦(99.5％)(二氧化鈦調(diào)節(jié)氧含量)，按既定重量比例精確稱量；采用分層壓制法于模具中成型坯料，確保下部為輕質(zhì)材料，上部為重質(zhì)材料，坯徑小于坩堝口徑；隨后，于80-120℃干燥箱中預(yù)處理40-80分鐘，以徹底去除原材料中的殘留水分；

6、(2)感應(yīng)懸浮熔煉：將坯料置入真空感應(yīng)懸浮熔煉爐(真空度保持在2-4×10-2pa，充氬保護(hù))的水冷銅坩堝內(nèi)；初始以50kw預(yù)熱，隨即調(diào)至170kw全熔，熔化后功率回調(diào)至150kw，確保熔體懸浮攪拌超過90秒，以增進(jìn)成分均勻性。為確保合金質(zhì)量，該熔煉過程重復(fù)三次；最終熔煉完成后，將熔液傾入鋼模澆鑄，形成初步鑄錠。去除冒口后，得到圓柱形成品鑄錠；

7、(3)多向自由鍛造：車削清理步驟(2)鑄錠表面缺陷。隨后，將箱式電阻爐加熱至850-1000℃，并將預(yù)處理鑄錠保溫60-80min；加熱完畢將鑄錠快速移至電液錘進(jìn)行鍛造，保證每次變形率超20％，總變形范圍在40％-60％間，期間若溫度低于700℃則需回爐保溫20-40min；鍛造完畢，采用空氣自然冷卻，最終得到方坯；

8、(4)軋制：步驟(3)鍛造方坯經(jīng)切割打磨后，將箱式電阻爐調(diào)至780-860℃并保溫方坯60-80min。隨后迅速轉(zhuǎn)移至軋機(jī)進(jìn)行軋制，每道次變形率為10％至15％，每軋完一道即回爐保溫10-50min，累計(jì)變形率大于70％；完成軋制后，同樣采用空氣自然冷卻方式，最終產(chǎn)出軋板；

9、(5)熱處理：從步驟(4)所得軋板取樣，實(shí)施710-900℃、持續(xù)40-80min的固溶熱處理，緊接水淬或空冷；接著，在440-600℃下進(jìn)行8-12h的時效處理，而后自然空冷至室溫。

10、綜上，本發(fā)明的核心優(yōu)勢總結(jié)如下：

11、本發(fā)明在ti-mo-v-cr-fe-al亞穩(wěn)β鈦合金體系中創(chuàng)新性地引入少量氧元素，不僅實(shí)現(xiàn)了有效固溶強(qiáng)化，還促進(jìn)了α相呈現(xiàn)多尺度混晶結(jié)構(gòu)，同步增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度與延展性，成就了卓越的綜合性能。具體而言，大尺寸初生α相與高長徑比次生α相結(jié)合提升了強(qiáng)度，而小尺寸初生α相搭配低長徑比次生α相則保障了塑性，兩者交替分布，形成了高強(qiáng)度與高塑性兼具的微結(jié)構(gòu)，為高強(qiáng)鈦合金的進(jìn)一步研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

1.一種含氧高強(qiáng)β鈦合金材料制備方法，其特征在于，以ti-mo-v-cr-fe-al合金為基體，其質(zhì)量百分比組份：mo?3.5-4.5％，cr?0.9-5％，v?2.5-3.5％，fe?0.45-2.05％，al2.5-4.5％，o?0-0.6％且不為0，其余為ti；

2.按照權(quán)利要求1所述的一種含氧高強(qiáng)β鈦合金材料制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中所有原材料純度均在99.5％以上。

3.按照權(quán)利要求1所述的一種含氧高強(qiáng)β鈦合金材料制備方法，其特征在于，

4.按照權(quán)利要求1所述的一種含氧高強(qiáng)β鈦合金材料制備方法，其特征在于，

5.按照權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法制備得到的一種含氧高強(qiáng)β鈦合金。

技術(shù)總結(jié)
一種含氧高強(qiáng)β鈦合金材料制備方法，屬于鈦合金材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明圍繞Ti?Mo?V?Cr?Fe?Al?O合金基材，其中O含量0?0.6％且不為0。采用以下流程：(1)配比合金成分并熔煉，澆鑄至定制模具以形成鑄錠；(2)運(yùn)用自由鍛造技術(shù)，將鑄錠鍛造成方坯，再進(jìn)一步軋制為所需規(guī)格的板材；(3)板材經(jīng)過熱處理，達(dá)到預(yù)期的機(jī)械性能指標(biāo)。該發(fā)明使用傳統(tǒng)加工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)含氧高強(qiáng)β鈦合金板材的量產(chǎn)，其特色在于多尺度混晶結(jié)構(gòu)，不僅提升了合金板材的實(shí)際應(yīng)用潛力，而且所制板材展現(xiàn)出卓越的抗拉強(qiáng)度與高延伸率，充分體現(xiàn)了其在高性能材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用價值。

技術(shù)研發(fā)人員：陳子勇,周宗熠,相志磊,王安東,王冰,陳俊陽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30