[發明專利]一種高強度高彈性耐熱鈦合金及制備方法

有效

• 申請號: 201810380063.2
• 申請日: 2018-04-25
• 公開（公告）號: CN108677060B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 陳鋒;陳慧娟;余新泉;張友法
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/02;C22F1/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明涉及一種高強度高彈性耐熱鈦合金及制備方法，所述合金的組份為Ti?Nb?Zr?V?O，各元素重量百分比為：wt％Nb＝35wt％?1.5wt％V，式中wt％Nb和wt％V分別表示Nb、V元素的重量百分比；V：0wt％＜V≤4.0wt％；Zr：1.8～2.2wt％；O：0.29～0.31wt％，余量為Ti。合金制備的具體步驟是：采用真空非自耗電弧爐熔煉獲得成分均勻的合金鑄錠，經熱鍛成棒材后在900～1000℃固溶處理，水冷至室溫；隨后冷軋變形加工，變形量為80～90％；最后進行時效熱處理，其加熱溫度為490℃～510℃，保溫時間為8～10h。本發明鈦合金具有高強度和較低彈性模量，彈性變形能力(屈服強度與彈性模量比值)優于現有各種高彈性β鈦合金，十分適合制作航空航天和機械等領域的輕質耐熱高彈性部件。

技術領域

本發明涉及一種高強度高彈性耐熱鈦合金及制備方法，屬于鈦合金材料設計及制備技術領域。

背景技術

近年來，高超聲速飛行器是我國航天航空領域的研究熱點之一，這類飛行速度超過5倍音速的飛行器有著巨大的軍事價值和潛在經濟價值。在高超聲速飛行器發展過程中，用于可變形機翼的輕質、耐熱和高彈性材料的研發是一大難點，這是因為該類飛行器在飛行過程中，由于氣動熱載荷效應，其機翼前緣溫度高達400～500℃，機翼材料必須耐熱；另一方面，為減輕重量、簡化驅動機構以及盡可能增大升阻比，高超聲速飛行器需通過柔性翼肋機構，實現機翼前、后緣連續變彎，以改變翼形和攻角，從而獲得最佳的氣動特性，也即為保證高超聲速飛行器正常工作，其機翼前、后緣材料不僅需要較好的耐熱性，還要具有較高的彈性變形能力。

彈性材料的主要特征參數為柔韌性指數，其值可用屈服強度σ_0.2與彈性模量E的比值(σ_0.2/E)來表示，σ_0.2/E越大，彈性變形能力越強。經高溫時效后的合金在溫度循環變化時(不高于時效溫度)，其顯微組織不發生變化，因此，可通過時效溫度的高低及該溫度下時效后合金的σ_0.2/E值來衡量其是否滿足高彈性及耐熱的性能要求。鈦合金具有強度高、密度低、彈性模量低等優良特性，因此被廣泛應用于航天航空領域。然而傳統高強度鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)與低彈性模量鈦合金Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn(Beta-Ⅲ)經500℃左右溫度時效后，其E值均超過95GPa，σ_0.2/E小于1.3％，無法滿足高超聲速飛行器的耐熱彈性部件的性能要求。因此，為滿足高超聲速飛行器機翼前、后緣材料等使用要求，需進一步探索、設計并制備出新型鈦合金，使其經500℃左右的高溫時效后，具有高強度、低彈性模量和高σ_0.2/E值，從而具備優異的耐熱和彈性變形能力。

發明內容

技術問題：本發明的目的在于提供一種具有高強度和高彈性的耐熱鈦合金成分及其制備方法，使一系列成分的鈦合金經固溶、冷軋處理及500℃左右高溫時效后，均具有高強度、低彈性模量和高σ_0.2/E值，從而具備優異的耐熱和彈性變形能力。

技術方案：本發明的一種高強度高彈性耐熱鈦合金的組份為Ti-Nb-Zr-V-O，其中各元素重量百分比為：Nb：29.0～35.0wt％；V：0wt％＜V≤4.0wt％；Zr：1.8～2.2wt％；O：0.29～0.31wt％，余量為Ti，其中wt％Nb＝35wt％-1.5wt％V，式中wt％Nb表示Nb元素的重量百分比，wt％V表示V元素的重量百分比。

本發明的一種高強度高彈性耐熱鈦合金的制備方法包括以下步驟：

第一步：根據鈦合金成分，以Ti、Nb、Zr、V和TiO₂為原料配制合金；

第二步：將配好的原料置于磁攪拌真空非自耗電弧爐中反復熔煉，得到成分均勻的鑄錠；

第三步：將鑄錠熱鍛成棒材，經固溶處理后投入水中淬火冷卻；