CN116162822A - 一种超高强韧谐波结构Ti-Mo系合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高强韧钛合金及其制备方法，涉及一种具有谐波结构的Ti‑Mo系合金，属于新材料技术领域。其特征在于：合金只含有Ti和Mo元素，其合金的重量百分比组成为：Mo：5 wt.%～20 wt.%，余量为Ti及不可避免的杂质；合金的元素和组织分布特征属于谐波分布。其室温拉伸力学性能指标分别为：抗拉强度R m ：1000～1400 MPa，屈服强度R r0.2：850～1100 MPa，延伸率A：5%～10%，强塑积U T：6000～12000 MPa·%。本发明合金具有谐波分布的成分和组织，以及超高强度和良好韧性的特点。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学和有色金属及其合金技术领域。具体的说是涉及一种具有谐波结构的高强韧Ti-Mo系合金。
背景技术
钛合金具有高强度、高比强度、低密度、耐腐蚀、中温性能好、无磁性等良好的性能，是一类重要的金属结构材料，尤其是在国防、航空、航天、高端汽车、潜水艇等领域，具有非常重要的应用及应用前景。近几十年来，世界各国对钛合金的开发、制备和应用的重视程度越来越高。世界钛工业在航空航天、一般工业、能源和石化等领域的钛需求稳步上升。2015-2021年，全球钛矿总需求呈波动上涨趋势，从2015年的660万吨增长至2019年的710万吨。2020年、2021年全球钛矿整体呈现供需短缺的状态，2021年全球钛矿总需求量达到771万吨。此外，由于航空航天业需要轻质的高强高韧钛合金，因此高强高韧钛合金成为各国争相开发的钛合金系列之一。但现有钛合金的强度和韧性匹配不能满足航空要求，使其应用受到了一定的限制。综合国内外的研究和应用现状以及高强韧钛合金所存在的问题，高强高韧（抗拉强度R m≥1300MPa，K IC≥55MPa·m1/2）钛合金的发展仍当前钛合金发展的主要趋势之一。但是钛合金和其他金属材料一样，其强度提高的同时会大幅度的损失韧性。因此，开发出具有高强度或超高强度钛合金的同时保持其良好的塑韧性对促进和拓展钛合金的实际应用领域具有非常重要的社会经济和政治价值。
研究和实验均表明异质结构材料具有同时增加金属材料强韧性的效果。谐波结构（合金元素和组织分布呈现谐波分布特征）材料作为一类特殊的异质结构材料，同样具有增加金属强韧性的效果。如通过粉末冶金技术制备谐波TC4钛合金（Ti-6Al-4V），其强度从常规结构TC4的1050 MPa增加到1431 MPa，并保持4.5%的延伸率。金属Mo元素作为一种典型的钛合金β稳定性元素，经常被用来添加到钛合金中调整钛合金的微观组织和力学性能。目前主要使用的高强钛合金中40%都添加了Mo元素。但是大部分钛合金在增加强度后，其塑韧性会有明显的降低。目前所报道出来的Ti-Mo二元系列合金的强度鲜有超过800 MPa，并且其断后延伸率不超过10%，即强度的提高是以牺牲塑韧性为代价。目前，对于高强度高韧性钛合金的研究仍然是钛合金发展的重要内容和方向，对钛合金长期安全的服役和拓展钛合金的应用领域具有重要的社会意义和经济价值。
发明内容
本发明是以Ti-Mo合金体系为对象，通过设计和控制合金体系中金属元素Mo的含量，采用粉末冶金结合热处理的方法获得一种具有超高强度同时具有良好韧性的Ti-Mo合金体系。
发明目的
本发明的目的在于提供一种具有超高强度及良好韧性的Ti-Mo系合金结构材料，其成分可以用如下公式表示：aTi-bMo。其中Ti和Mo含量（wt.%）的变化范围为：a：80～95；b：5～20，其余为不可避免的原材料中所含杂质，其元素和组织呈现谐波分布。
本发明的目的是通过如下方案实现的：
本发明的合金制备采用粉末冶金结合热处理的方法，包括以下步骤：将高纯度的Ti粉（99.99 wt.%）和Mo粉（99.5 wt.%）两种粉末按照一定的比例充分混合。将混合均匀的粉末在30吨的冷压机上预压5分钟成坯料，然后转移到真空热压设备上进行热压烧结，热压工艺为850℃，60 MPa，保压时间为3分钟。热压后获得烧结体圆柱。将烧结体圆柱进行在900℃氩气环境中进行热扩散处理8小时。最后在500℃下进行4小时的时效处理。此前所有的操作都在真空或者氩气保护环境下进行。将退火/时效后的合金试样表面进行扒皮和表面修磨得到谐波结构的Ti-Mo系合金样品。检测其力学性能。本发明合金的室温力学性能为：抗拉强度R m：1000～1400 MPa，屈服强度R r0.2：850～1100 MPa，延伸率A：5%～10%，强塑积U T：6000～12000 MPa·%。
室温单轴拉伸试验在拉伸试验机上进行，拉伸速率为：5×10-4s-1。并用引伸计全程跟踪测量试样在拉伸过程中的长度变化。
本发明公开了以下技术效果：
本发明制备过程需要的实验条件方便，通过传统的粉末冶金结合热处理的方法即可获得。本发明制备的合金，其元素和组织呈谐波分布，并且可以通过调节α和β相的含量及微观组织分布控制合金的力学性能。本发明的制备的合金具有超高强度和良好的韧性。
附图说明
图1为本发明合金拉伸试样的示意图。
图2为本发明实施例1~3制备得到合金及参比样的工程应力-工程应变曲线。
图3为本发明实施例1~3制备得到合金及参比样的强塑积U T结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
将高纯度的Ti粉（99.99 wt.%）和Mo粉（99.5 wt.%）两种粉末按照Ti和Mo重量比90∶10的比例充分混合。将混合均匀的粉末在30吨的冷压机上预压5分钟成坯料，然后转移到真空热压设备上进行热压烧结，热压工艺为850℃，60 MPa，保压时间为3分钟。热压后获得烧结体圆柱。将烧结体圆柱进行在900℃氩气环境中进行热扩散处理8小时。此前所有的操作都在真空或者氩气保护环境下进行。将热扩散退火后的合金试样表面进行扒皮和表面修磨得到谐波结构的Ti-Mo系合金样品。加工成试样进行测试。测试其力学性能见图2和图3中实例1的数据。
实施例2
与实施例1相比，本实施例在于Ti和Mo粉的重量比不同，具体工艺步骤一致：
将高纯度的Ti粉（99.99 wt.%）和Mo粉（99.5 wt.%）两种粉末按照Ti和Mo重量比85∶15的比例充分混合。将混合均匀的粉末在30吨的冷压机上预压5分钟成坯料，然后转移到真空热压设备上进行热压烧结，热压工艺为850℃，60 MPa，保压时间为3分钟。热压后获得烧结体圆柱。将烧结体圆柱进行在900℃氩气环境中进行热扩散处理8小时。此前所有的操作都在真空或者氩气保护环境下进行。将热扩散退火后的合金试样表面进行扒皮和表面修磨得到谐波结构的Ti-Mo系合金样品。加工成试样进行测试。测试其力学性能见图2和图3中实例2的数据。
实施例3
与实施例2相比，本实施例在于热处理工艺不同。具体工艺步骤一致：
将高纯度的Ti粉（99.99 wt.%）和Mo粉（99.5 wt.%）两种粉末按照Ti和Mo重量比85∶15的比例充分混合。将混合均匀的粉末在30吨的冷压机上预压5分钟成坯料，然后转移到真空热压设备上进行热压烧结，热压工艺为850℃，60 MPa，保压时间为3分钟。热压后获得烧结体圆柱。将烧结体圆柱进行在900℃氩气环境中进行热扩散处理8小时。最后在500℃下进行4小时的时效处理。此前所有的操作都在真空或者氩气保护环境下进行。将时效处理后的合金试样表面进行扒皮和表面修磨得到谐波结构的Ti-Mo系合金样品。加工成试样进行测试。测试其力学性能见附图2和附图3中实例3的数据。
效果例1
将纯钛粉末按照实施1的步骤制备参比样，并进行拉伸实验。参比样和实施例1～3制备得到的谐波结构的Ti-Mo系合金的工程应力-工程应变曲线如附图2所示。由附图2可以看出不同试样的强度和塑形均不相同。其中参比样的拉伸强度R m = 607 MPa、R r0.2 = 442MPa，断后延伸率为A = 17.3%，实施例1-3试样的抗拉强度R m分别为：1069，1002和1397MPa，分别为参比样的176%，167%和230%；实施例1～3试样的屈服强度R r0.2分别为：941，875和1017 MPa，分别为参比样的213%，198%和230%；实施例1-3试样的断后延伸率A分别为9.27%，7.56%和4.53%，分别为参比样的53%，43%和25%。
效果例2
将纯钛粉末按照实施1的步骤制备参比样，并进行拉伸实验。参比样和实施例1～3制备得到的谐波结构的Ti-Mo系合金的强塑积结果如附图3所示。由附图3可以看出不同试样的强塑积均不相同。其中参比样的强塑积U T = 10246 MPa·%，实施例1～3试样的强塑积U T分别为：11380，7701和6020 MPa·%。其强塑积分别为参比样的111%，75.1%和58.8%。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种具有超高强韧性的Ti-Mo系合金，其特征在于：合金元素及重量百分比组成为：金属钼：5 wt.%～20 wt.%，余量为钛及不可避免的杂质；其元素和组织分布特征属于谐波分布。
2.根据权利要求1所述的具有超高强韧性的Ti-Mo系合金，其特征在于：合金元素及重量百分比组成为：金属钼：7.5 wt.%～15 wt.%，余量为钛及不可避免的杂质；其元素和组织分布特征属于谐波分布。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |