[發明專利]一種高強塑積鈦合金及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201810411459.9
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108425036A
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（設計）人: 馬朝利;任磊;肖文龍;王俊帥;鄭瑞曉;周廉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/02;C22F1/18
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王文君;郭奧博

本發明涉及一種高強塑積鈦合金，包括Ti、Cr、Mo、Sn、Al以及Zr；其中，Ti元素的質量占鈦合金總質量的75％以上。本發明提供的高強塑積鈦合金擁有優異的抗拉強度和延伸率，其強塑積可達40GPa·％以上。本發明提供的兼具高強度、高塑性、高加工硬化率及高能量吸收能力的低成本鈦合金，可以大大拓寬高強鈦合金的應用范圍，可加工成板材與型材，應用于航空、航天、船舶及汽車等領域，極具應用價值。

技術領域

本發明涉及合金材料領域，具體涉及一種高強塑積鈦合金及其制備方法與應用。

背景技術

鈦合金作為重要的結構金屬材料，因其密度低、強度高、耐蝕性好及使用溫度寬等優點，廣泛應用于航空制造業中結構件、彈性構件及連接件的設計及制造。近些年隨著航空制造業的發展，鈦合金的使用量變得越來越大，比如美國波音787飛機中鈦合金的使用量比重達到15％。但是，隨著航空航天裝備設計理念的升級，以及汽車輕量化的發展，對低成本高強韌鈦合金的性能提出了更高的要求。

目前，已開發的高強鈦合金的抗拉強度可達1000～1800MPa，但其延伸率只有4～30％，且加工硬化率較低；一般鈦合金的強塑積(抗拉強度和延伸率的乘積)低于30GPa·％，普遍低于TWIP高強鋼，造成其較低的能量吸收能力而限制了鈦合金的應用范圍。另外，多數高強鈦合金中含有大量的V元素增加了合金的成本。

因此，開發一種兼具高強度、高塑性、高加工硬化率及高能量吸收能力的低成本鈦合金，可以大大拓寬高強鈦合金的應用范圍。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的缺陷，提供一種高強塑積的鈦合金。本發明提供的鈦合金具有良好的抗拉強度，優異的延伸率，其強塑積≥40GPa·％，大大提高了鈦合金的能量吸收能力。

具體而言，本發明提供的高強塑積的鈦合金中包括鈦Ti、鉻Cr、鉬Mo、錫Sn、鋁Al以及鋯Zr；其中，鈦元素的質量占鈦合金總質量的75％以上，優選為78％以上。

本發明對各元素的相對用量進行優選，以確保各元素之間發揮協同作用，提高材料的整體強塑積值。具體而言：

本發明優選所述鈦合金中鉻、鉬、錫、鋁以及鋯的質量比為5～8：3.5～6：1～3：1～3：0.5～2，更優選為6～7.5：4～5：1～2：1.5～2.5：0.5～1.5。

本發明優選所述鈦合金中含有Cr 5～8％，Mo 3.5～6％，Sn 1～3％，Al 1～3％以及Zr 0.5～2％，更優選含有Cr 6～7.5％，Mo 4～5％，Sn 1～2％，Al 1.5～2.5％以及Zr0.5～1.5％。

本發明優選所述鈦合金中含Cr 5～8％，Mo 3.5～6％，Sn 1～3％，Al 1～3％以及Zr 0.5～2％，余量為Ti；更優選含有Cr 6～7.5％，Mo 4～5％，Sn 1～2％，Al 1.5～2.5％以及Zr 0.5～1.5％，余量為Ti。

在實際生產過程中，鈦合金中會摻入極少量不可避免的雜質，所述雜質的含量在本領域允許范圍內即可。

本發明在鈦合金設計中，基于d電子理論，使其和的數值(所述和頂部的橫線均代表平均的含義)分別位于2.32～2.39和2.76～2.80的范圍內，從而使得合金擁有較高的塑性和加工硬化率；根據傳統的鉬當量([Mo]eq)設計方法，[Mo]eq＝10～15時合金具有較高的強度；根據多元合金化理論及不同合金元素在鈦合金中擁有不同強化作用，選取了β同晶型元素(Mo)、β共析型元素(Cr)以及中性型元素(Sn、Zr)以增強合金的固溶強化能力，以及添加α穩定型元素(Al)以調整合金的和數值，進一步優化各元素的相對用量，從而得到了一種兼具強度和塑性的鈦合金。另外，為降低合金的成本，在合金設計時未添加合金元素V及稀土元素。

本發明同時提供所述高強塑積鈦合金制備方法，具體包括如下步驟：取含各元素的原料，混合后熔煉成鑄錠，經均勻化熱處理后，鍛造，軋制成形。