一种协同提高强度和塑性的钛合金制备方法及钛合金

本发明属于钛合金强化领域，更具体地，涉及一种协同提高强度和塑性的钛合金制备方法及钛合金。

背景技术：

1、钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性和抗疲劳性好等优点，被认为是轻量化的高强结构材料，是工业领域中最重要的高端材料之一，已广泛应用于航空航天、海洋、军事、核电和生物医学等高性能和先进的工程领域。然而，钛合金具有高强度的同时，其塑性较低、难成形，在工业应用的承重过程中会直接影响合金的可靠性、安全性和服役寿命，严重时会产生灾难性破坏。因此，有必要发展高强度和优良塑性的钛合金材料，以满足高端装备和工程应用。

2、为了改善钛合金的力学性能，热处理制度成为提高钛合金综合力学性能的有效方法和热门途径。热处理制度虽然可以显著提高钛合金的强度，但合金的塑性和韧性却发生了明显的降低，该方法仍然不能有效的改善钛合金的综合力学性能。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种协同提高强度和塑性的钛合金制备方法及钛合金，其目的在于，实现钛合金强度和塑性的协同提高。

2、为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，包括如下步骤：

3、s1、对钛合金进行热处理；

4、s2、待完成热处理的钛合金冷却至室温后，对其进行磁场处理；

5、s3、对磁场处理后的钛合金进行时效处理。

6、作为进一步优选的，步骤s3，进行时效处理时，温度为450～650℃，保温时间为2～8h。

7、作为进一步优选的，步骤s2，进行磁场处理时，磁场强度为0.5～12t，磁场作用时间为30～120min。

8、作为进一步优选的，步骤s2，进行磁场处理时，磁场类型为脉冲磁场或静磁场。

9、作为进一步优选的，步骤s1，进行热处理前的钛合金采用锻造、挤压或轧制得到。

10、作为进一步优选的，步骤s2，进行磁场处理时，磁场方向为平行或垂直于钛合金的变形方向。

11、作为进一步优选的，步骤s1，对钛合金进行热处理，具体为：

12、对钛合金进行固溶处理；

13、或对钛合金进行固溶处理和时效处理。

14、作为进一步优选的，步骤s1，固溶处理为β相固溶处理或(α+β)相固溶处理，其中，β相固溶处理的温度为β相转变温度以上30～100℃，保温10～30min后空冷或水淬至室温；(α+β)相固溶处理温度为β相转变温度以下30～60℃，保温30～120min后空冷或水淬至室温。

15、作为进一步优选的，步骤s1，时效处理温度为200～450℃，保温2～24h后空冷或水淬至室温。

16、按照本发明的另一方面，提供了一种钛合金，采用上述协同提高强度和塑性的钛合金制备方法制备得到。

17、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

18、1、本发明通过常规热处理初步提高钛合金强度，然后有效结合磁场处理和时效处理，从而在磁场处理产生磁致塑性效应的基础上，进行时效强化，实现钛合金强韧性能的协同提高，从而得到强韧性能匹配的钛合金，满足高端装备和工业领域对钛合金的需求。

19、2、对钛合金进行磁场处理时，磁场可使自由基对从基态转变为激发态，降低位错与阻碍物之间的阻力，促进位错从钉扎处脱钉扎，增加位错运动的灵活性。此外，磁场作用可以促进原子扩散，增加滑移面的间距，降低位错运动的临界剪切应力，促进位错运动，增加位错密度，使合金的塑性显著提高，产生磁致塑性效应。

20、进而在磁场处理后进行时效处理：磁场处理增加的位错密度可为后续时效析出多形态、弥散分布的次生α相提供能量和析出位点；同时时效处理过程中的热能可提供能量和加速原子的扩散速率；这两个因素促进了α相的析出，增加了α相和α/β相界面的含量。

21、因此，磁场与时效结合可促进α相的析出，增加α/β相界面数量，细化晶粒。α/β界面可阻碍位错运动，使得高密度位错在界面处聚集，从而强化合金；同时，α/β界面可以作为有效的位错源，通过产生位错来促进塑性变形，进而改善塑性。对于增加的α相，激活锥面<c+a>滑移可提供五个独立的滑移系，协调沿晶体c轴的变形，促进塑性变形。此外，初步热处理过程存在的初级α相(αp)在磁场和时效处理过程中得以保存，微米级或亚微米级αp可以协调变形，提高塑性。

22、3、本发明在磁场处理后再进行高温时效，可以提供能量，促进亚稳定相或β相转变为α相；s3时效将亚稳定相转变为α相，能够避免存在脆硬亚稳定相，降低对钛合金塑性的影响。室温状态下对钛合金进行磁场处理，可以更好促进微米级α相析出，增加位错密度，从而提高塑性，表现出磁致塑性效应。同时，可以避免磁场与加热过程耦合涉及多效应、多尺度和多机理作用的复杂过程，对研究合金的强化和韧化机理、规律带来便捷，并降低装备成本。

23、4、进一步地，本发明在磁场后进行了450～650℃、2～8h的高温、短时间时效，则如果步骤s1中进行了时效，此时可将s1中的亚稳定相进一步转化为α相，析出更多含量和更小尺寸的次生α相；如果步骤s1中没有进行时效，s3中的高温时效，可以将钛合金经固溶处理后的亚稳定相转化为α相，促进相变过程，增加α相含量。

24、5、进一步地，本发明对磁场强度进行设计，当磁场强度较小，对增加位错密度效果有限，从而导致后续时效处理效果受限，钛合金强韧性能难以匹配；当磁场强度过大时迫使磁场设备趋于大型化，且对设备的要求极其严格。

1.一种协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，其特征在于，步骤s3，进行时效处理时，温度为450～650℃，保温时间为2～8h。

3.如权利要求1所述的协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，其特征在于，步骤s2，进行磁场处理时，磁场强度为9～12t，磁场作用时间为30～120min。

4.如权利要求1所述的协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，其特征在于，步骤s2，进行磁场处理时，磁场类型为脉冲磁场或静磁场。

5.如权利要求1所述的协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，其特征在于，步骤s1，进行热处理前的钛合金采用锻造、挤压或轧制得到。

6.如权利要求5所述的协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，其特征在于，步骤s2，进行磁场处理时，磁场方向为平行或垂直于钛合金的变形方向。

7.如权利要求1-6任一项所述的协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，其特征在于，步骤s1，对钛合金进行热处理，具体为：

8.如权利要求7所述的协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，其特征在于，步骤s1，固溶处理为β相固溶处理或(α+β)相固溶处理，其中，β相固溶处理的温度为β相转变温度以上30～100℃，保温10～30min后空冷或水淬至室温；(α+β)相固溶处理温度为β相转变温度以下30～60℃，保温30～120min后空冷或水淬至室温。

9.如权利要求7所述的协同提高强度和塑性的钛合金制备方法，其特征在于，步骤s1，时效处理温度为200～450℃，保温2～24h后空冷或水淬至室温。

10.一种钛合金，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的协同提高强度和塑性的钛合金制备方法制备得到。