权利要求
1.一种高强高塑性亚稳β钛合金，其特征在于，所述高强高塑性亚稳β钛合金的组成按质量百分数计包括3~6%的Mo、2~5%的Cr、0.5~2%的Fe、0~3%的Nb、0.05~0.5%的O，余量为Ti和不可避免的杂质;所述钛合金的钼当量Moeq满足：10.5
2.权利要求1所述高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按比例称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到合金粉体;
(2)成型：将合金粉体进行成型处理得到坯料;
(3)热处理：将坯料经热处理得到高强高塑性亚稳β钛合金。
3.根据权利要求2所述高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中电极棒经真空气雾法或等离子旋转电极法制成球形粉体;所述筛分后球形粉体的粒径为5~200μm。
4.根据权利要求2所述高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用激光粉末床熔融增材制造技术或热等静压技术对合金粉体进行成型处理，当采用激光粉末床熔融增材制造技术进行成型处理时，合金粉体的粒径为15~53μm，当采用热等静压技术技术进行成型处理时，合金粉体的粒径为5~200μm。
5.根据权利要求4所述高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，当采用热等静压技术对合金粉体进行成型处理时，成型处理的条件为：在750~850℃，50~150MPa条件下处理1.5~5h。
6.根据权利要求2所述高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中热处理的方法为固溶处理或固溶处理和时效处理结合。
7.根据权利要求6所述高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，当采用固溶处理对坯料进行热处理时，固溶处理的条件为：将坯料加热至750~810℃并保温0.5~2h，之后进行水冷淬火。
8.根据权利要求6所述高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，其特征在于，当采用固溶处理和时效处理对坯料进行热处理时，固溶处理和时效处理的条件为：将坯料加热至750~810℃并保温0.5~2h，之后空冷至室温，随后再将坯料加热至480~650℃并保温2~8h进行时效处理，然后空冷至室温。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及一种高强高塑性亚稳β钛合金及其制备方法，属于金属材料及先进制造技术领域。
背景技术
[0002]亚稳β钛合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，在航空航天、生物医疗领域具有广阔的应用前景。增材制造(又称3D打印)技术，特别是激光选区熔化(SLM)和激光定向能量沉积(DED)，为制造复杂结构的钛合金构件提供了革命性的手段。
[0003]然而，传统的亚稳β钛合金(如Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr)在增材制造过程中面临两大挑战：一是由于快速凝固产生的高残余应力和粗大柱状晶组织，导致打印件极易产生冷裂纹和热裂纹;二是强度和塑性难以同时达到高水平，往往强度高则塑性不足，或塑性好则强度偏低，无法满足高端装备对材料综合性能的苛刻要求。
[0004]目前，解决这些问题的方法多侧重于优化打印工艺参数(如激光功率、扫描速度)，但这治标不治本，且工艺窗口狭窄。从材料本身入手，通过创新的合金成分设计，与制备工艺协同，从根本上优化合金相组织，改善其打印适应性和力学性能匹配，是当前本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
[0005]本发明的目的之一在于提供一种高强高塑性亚稳β钛合金，所述高强高塑性亚稳β钛合金的组成按质量百分数计包括3~6%的Mo、2~5%的Cr、0.5~2%的Fe、0~3%的Nb、0.05~0.5%的O，余量为Ti和不可避免的杂质;所述钛合金的钼当量Moeq满足：10.5
[0006]本发明的目的之二在于提供一种高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按比例称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空熔炼(优选真空自耗熔炼)得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到合金粉体。
[0007](2)成型：将合金粉体进行成型处理得到坯料。
[0008](3)热处理：将坯料经热处理得到高强高塑性亚稳β钛合金。
[0009]优选的，所述步骤(1)中电极棒经真空气雾法或等离子旋转电极法(PREP)制成球形粉体;所述筛分后球形粉体的粒径为5~200μm。
[0010]优选的，所述步骤(2)中采用激光粉末床熔融增材制造技术或热等静压(HIP)技术对合金粉体进行成型处理，当采用激光粉末床熔融增材制造技术进行成型处理时，合金粉体的粒径为15~53μm，当采用热等静压技术技术进行成型处理时，合金粉体的粒径为5~200μm。
[0011]更优选的，所述步骤(2)中当采用热等静压技术对合金粉体进行成型处理时，成型处理的条件为：在750~850℃，50~150MPa条件下处理1.5~5h。
[0012]优选的，所述步骤(3)中热处理的方法为固溶处理或固溶处理和时效处理结合。
[0013]更优选的，所述步骤(3)当采用固溶处理对坯料进行热处理时，固溶处理的条件为：将坯料加热至750~810℃并保温0.5~2h，之后进行水冷淬火。
[0014]更优选的，所述步骤(3)当采用固溶处理和时效处理对坯料进行热处理时，固溶处理和时效处理的条件为：将坯料加热至750~810℃并保温0.5~2h，之后空冷至室温，随后再将坯料加热至480~650℃并保温2~8h进行时效处理，然后空冷至室温。
[0015]本发明的有益效果：
(1)产品性能优异：本发明通过合金成分设计、成型技术以及热处理的协同作用，使产品合金中具备适中的β相稳定性，抑制裂纹产生，并获得α相体积分数大于12%，合金组织为β+α双相组织的高强高塑性合金。当采用固溶处理后，本发明所得钛合金的抗拉强度达到980MPa，延伸率大于30%;当固溶处理和时效处理结合对钛合金进行处理后，本发明所得钛合金的抗拉强度大于1250MPa，延伸率大于10%。
[0016](2)方法灵活可靠：本发明提供了两种成熟、可靠的制备路径(增材制造/HIP)，并针对每种路径提供了后续热处理的明确指导，形成了完整的技术方案。
附图说明
[0017]图1为本发明实施例1制备合金的扫描电子显微镜图。
[0018]图2为本发明实施例2制备合金的扫描电子显微镜图。
[0019]图3为本发明实施例1-4及对比例1-2制备合金的拉伸工程应力-应变曲线图。
[0020]图4为本发明实施例4制备合金的扫描电子显微镜图。
[0021]图5为本发明对比例1打印态试样的宏观形貌图。
具体实施方式
[0022]为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0023]本发明实施例及对比例中合金粉体的真空自耗熔炼、锻造、机加工，电极棒的真空气雾法或等离子旋转电极法制球处理均为本领域常规工艺。
[0024]实施例1
一种高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-3Mo-4Cr-1.5Fe-0.15O(Moeq=11.95,Cr%+Fe%=5.5%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经PREP制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到15-53μm的合金粉体。
[0025](2)成型：将合金粉体经激光粉末床熔融增材制造技术在SLM设备上打印成型得到20组尺寸为10mm×10mm×10mm的钛合金试样坯料，其中打印功率为240W，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为0.1mm，层厚为0.03mm。
[0026](3)热处理：将坯料加热至800℃并保温1h，之后空冷至室温，随后再将坯料加热至540℃并保温3h，然后空冷至室温得到高强高塑性亚稳β钛合金。
[0027]对本实施例制备的高强高塑性亚稳β钛合金进行扫描电子显微镜观测(如图1所示)，经观测得出合金的微观组织主要为β基体和片层状α相，其中α相的体积分数为21.7%。之后对合金进行拉伸测试，测试过程中合金样品标距段尺寸为25mm×5mm×2mm，夹头速度为0.5mm/min，拉伸曲线如图3所示，其抗拉强度(UTS)：1282MPa，屈服强度(YS)：1267MPa，延伸率(El)：10.5%。本实施例通过Mo当量成分设计获得亚稳β基体，热等静压形成均匀预制坯，再通过固溶+时效热处理的协同作用，实现了新型亚稳β钛合金的制备，使钛合金产品具有极高的强度和良好的均匀塑性。
[0028]实施例2
一种高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-3Mo-4Cr-1.5Fe-0.15O(Moeq=11.95,Cr%+Fe%=5.5%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经PREP制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到5~200μm的合金粉体。
[0029](2)成型：将合金粉体装入包套，在800℃、100MPa条件下进行热等静压(HIP)3h，得到HIP坯料。
[0030](3)热处理：将HIP坯料加热至780℃并保温1h，之后水冷淬火，得到高强高塑性亚稳β钛合金。
[0031]对本实施例制备的高强高塑性亚稳β钛合金进行扫描电子显微镜观测(如图2所示)，经观测得出合金的微观组织主要包含β基体和近球状的α相，其中α相的体积分数为13.6%。之后对合金采用与实施例1相同的方式进行拉伸测试，拉伸曲线如图3所示，其抗拉强度(UTS)：1003MPa，屈服强度(YS)：971MPa，延伸率(El)：32.8%。本实施例通过Mo当量成分设计获得亚稳β基体，热等静压形成均匀预制坯，再通过固溶热处理的协同作用，实现了新型亚稳β钛合金的制备，使钛合金产品具有极高的强度和良好的均匀塑性。
[0032]实施例3
一种高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-6Mo-2.5Cr-1.2Fe-2Nb-0.25O(Moeq=11.3,Cr%+Fe%=3.7%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经PREP制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到15-53μm的合金粉体。
[0033](2)成型：将合金粉体经激光粉末床熔融增材制造技术在SLM设备上打印成型得到20组尺寸为10mm×10mm×10mm的钛合金试样坯料，其中打印功率为240W，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为0.1mm，层厚为0.03mm。
[0034](3)热处理：将坯料加热至780℃并保温1h，之后水冷淬火，得到高强高塑性亚稳β钛合金。
[0035]对本实施例制备的高强高塑性亚稳β钛合金进行扫描电子显微镜观测，经观测得出合金的微观组织包含β基体和片层状α相，其中α相的体积分数为23.2%。之后对合金采用与实施例1相同的方式进行拉伸测试，拉伸曲线如图3所示，其抗拉强度(UTS)：981MPa，屈服强度(YS)：957MPa，延伸率(El)：31.1%。本实施例通过Mo当量成分设计获得亚稳β基体，热等静压形成均匀预制坯，再通过固溶热处理的协同作用，实现了新型亚稳β钛合金的制备，使钛合金产品具有极高的强度和良好的均匀塑性。
[0036]实施例4
一种高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-6Mo-2.5Cr-1.2Fe-2Nb-0.25O(Moeq=11.3,Cr%+Fe%=3.7%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经PREP制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到5~200μm的合金粉体。
[0037](2)成型：将合金粉体装入包套，在820℃、120MPa条件下进行热等静压(HIP)3h，得到HIP坯料。
[0038](3)热处理：将HIP坯料加热至780℃并保温1.5h，之后空冷至室温，随后再将坯料加热至620℃并保温4h，然后空冷至室温得到高强高塑性亚稳β钛合金。
[0039]对本实施例制备的高强高塑性亚稳β钛合金进行扫描电子显微镜观测(如图4)，经观测得出合金的微观组织包含β基体、近球状α相和片层状α相，其中α相的体积分数为18.9%。之后对合金采用与实施例1相同的方式进行拉伸测试，拉伸曲线如图3所示，其抗拉强度(UTS)：1306MPa，屈服强度(YS)：1285MPa，延伸率(El)：11.2%。本实施例通过Mo当量成分设计获得亚稳β基体，热等静压形成均匀预制坯，再通过固溶+时效热处理的协同作用，实现了新型亚稳β钛合金的制备，使钛合金产品具有极高的强度和良好的均匀塑性。
[0040]实施例5
一种高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-6Mo-2Cr-1Fe-0.05O(Moeq=11.4,Cr%+Fe%=3%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经PREP制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到5~200μm的合金粉体。
[0041](2)成型：将合金粉体装入包套，在750℃、150MPa条件下进行热等静压(HIP)1.5h，得到HIP坯料。
[0042](3)热处理：将HIP坯料加热至750℃并保温2h，之后空冷至室温，随后再将坯料加热至650℃并保温2h，然后空冷至室温得到高强高塑性亚稳β钛合金。
[0043]对本实施例制备的高强高塑性亚稳β钛合金进行扫描电子显微镜观测，经观测得出合金的微观组织包含β基体、近球状α相和片层状α相，其中α相的体积分数为20.2%。之后对合金采用与实施例1相同的方式进行拉伸测试，其抗拉强度(UTS)：1278MPa，屈服强度(YS)：1255MPa，延伸率(El)：12.4%。本实施例通过Mo当量成分设计获得亚稳β基体，热等静压形成均匀预制坯，再通过固溶+时效热处理的协同作用，实现了新型亚稳β钛合金的制备，使钛合金产品具有极高的强度和良好的均匀塑性。
[0044]实施例6
一种高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-4Mo-5Cr-0.5Fe-3Nb-0.3O(Moeq=11.19,Cr%+Fe%=5.5%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经真空气雾法制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到5~200μm的合金粉体。
[0045](2)成型：将合金粉体装入包套，在850℃、50MPa条件下进行热等静压(HIP)5h，得到HIP坯料。
[0046](3)热处理：将HIP坯料加热至810℃并保温0.5h，之后空冷至室温，随后再将坯料加热至480℃并保温8h，然后空冷至室温得到高强高塑性亚稳β钛合金。
[0047]对本实施例制备的高强高塑性亚稳β钛合金进行扫描电子显微镜观测，经观测得出合金的微观组织包含β基体、近球状α相和片层状α相，其中α相的体积分数为17.4%。之后对合金采用与实施例1相同的方式进行拉伸测试，其抗拉强度(UTS)：1334MPa，屈服强度(YS)：1303MPa，延伸率(El)：10.9%。本实施例通过Mo当量成分设计获得亚稳β基体，真空气雾法形成均匀预制坯，再通过固溶+时效热处理的协同作用，实现了新型亚稳β钛合金的制备，使钛合金产品具有极高的强度和良好的均匀塑性。
[0048]实施例7
一种高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-6Mo-2.5Cr-2Fe-3Nb-0.5O(Moeq=11.24,Cr%+Fe%=4.5%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经PREP制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到5~200μm的合金粉体。
[0049](2)成型：将合金粉体装入包套，在800℃、100MPa条件下进行热等静压(HIP)3h，得到HIP坯料。
[0050](3)热处理：将HIP坯料加热至750℃并保温2h，之后水冷淬火，得到高强高塑性亚稳β钛合金。
[0051]对本实施例制备的高强高塑性亚稳β钛合金进行扫描电子显微镜观测，经观测得出合金的微观组织主要包含β基体和近球状的α相，其中α相的体积分数为14.9%。之后对合金采用与实施例1相同的方式进行拉伸测试，测试结果显示，其抗拉强度(UTS)：992MPa，屈服强度(YS)：964MPa，延伸率(El)：33.2%。本实施例通过Mo当量成分设计获得亚稳β基体，热等静压形成均匀预制坯，再通过固溶热处理的协同作用，实现了新型亚稳β钛合金的制备，使钛合金产品具有极高的强度和良好的均匀塑性。
[0052]实施例8
一种高强高塑性亚稳β钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-3Mo-4Cr-1.5Fe-0.05O(Moeq=12.95,Cr%+Fe%=5.5%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经PREP制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到5~200μm的合金粉体。
[0053](2)成型：将合金粉体装入包套，在800℃、100MPa条件下进行热等静压(HIP)3h，得到HIP坯料。
[0054](3)热处理：将HIP坯料加热至810℃并保温0.5h，之后进行水冷淬火，得到高强高塑性亚稳β钛合金。
[0055]对本实施例制备的高强高塑性亚稳β钛合金进行扫描电子显微镜观测，经观测得出合金的微观组织主要包含β基体和近球状的α相，其中α相的体积分数为12.8%。之后对合金采用与实施例1相同的方式进行拉伸测试，测试结果显示，其抗拉强度(UTS)：1015MPa，屈服强度(YS)：983MPa，延伸率(El)：31.6%。本实施例通过Mo当量成分设计获得亚稳β基体，热等静压形成均匀预制坯，再通过固溶热处理的协同作用，实现了新型亚稳β钛合金的制备，使钛合金产品具有极高的强度和良好的均匀塑性。
[0056]对比例1
一种钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-4.5Mo-3.5Cr-0.8Fe-0.5O(Moeq=7.26,Cr%+Fe%=4.3%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经PREP制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到15-53μm的合金粉体。
[0057](2)成型：将合金粉体经激光粉末床熔融增材制造技术在SLM设备上打印成型得到20组尺寸为10mm×10mm×10mm的钛合金试样，其中打印功率为240W，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为0.1mm，层厚为0.03mm。
[0058]对试样进行表观形貌观察发现，打印试样表明形成了明显的裂纹(图5)，这主要是由于在该钼当量下，过快的冷却会导致非平衡相(如脆性α’马氏体相或ω相)的形成。材料处于高强低塑性状态，打印过程中的巨大热应力无法通过塑性变形释放。当内应力超过材料断裂极限时，便在应力集中处形成裂纹。
[0059]对比例2
一种钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)配制合金粉体：按成分Ti-4.5Mo-3.5Cr-0.8Fe-0.5O(Moeq=7.26,Cr%+Fe%=4.3%)称取各元素原料，将称取的各元素原料经真空自耗熔炼得到合金铸锭，将合金铸锭经锻造、机加工，制备得到电极棒，将电极棒经PREP制成球形粉体，将球形粉体筛分，得到5~200μm的合金粉体。
[0060](2)成型：将合金粉体装入包套，在820℃、120MPa条件下进行热等静压(HIP)3h，得到HIP坯料。
[0061](3)热处理：将HIP坯料加热至780℃并保温1.5h，之后空冷至室温，随后再将坯料加热至620℃并保温4h，然后空冷至室温得到钛合金。
[0062]对本对比例制备的钛合金进行扫描电子显微镜观测，经观测得出合金的微观组织包含β基体、近球状α相和片层状α相，其中α相的体积分数为18.2%。之后对合金采用与实施例1相同的方式进行拉伸测试，拉伸曲线如图3所示，其抗拉强度(UTS)：1328MPa，屈服强度(YS)：1315MPa，延伸率(El)：4.7%。这是由于在该钼当量条件下，合金极容易形成ω相，该相可在一定程度强化合金，但同时大幅度损失塑性。
[0063]以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
说明书附图(5)
