本发明是一种低钼当量的低成本轻质超高强钛合金及其制备方法，属于钛合金。
背景技术：
1、高强钛合金一般指经热处理后室温强度大于1100mpa的钛合金。高强钛合金具有密度低、比强度高、损伤容限高、耐磨性和耐蚀性好等优点，被广泛应用于航空紧固件、飞机起落架以及机身承力梁等重要结构件，可使结构件重量减轻30％～40％。随着航空工业的快速发展和服役条件的日益苛刻，对高强钛合金的性能提出了更高的要求。β型钛合金具有时效硬化特征及良好的强度韧性匹配，因而成为超高强钛合金的最佳选择。钼当量([mo]eq)是衡量高强钛合金中β相含量及其稳定性的重要参数，也是高强β钛合金设计的重要准则。[mo]eq越高，β相稳定性越高，其析出强化效果越显著，一般[mo]eq需达到8.0以上才能得到稳定的β型钛合金并获得较高的强度。常用的[mo]eq计算公式为：
2、[mo]eq＝[mo]+0.28[nb]+0.2[ta]+0.4[w]+1.25[cr]+1.7[mn]+0.67[v]+2.5[fe]+1.7[co]+1.25[ni]，其中[x]为x元素在钛合金中的质量分数。
3、根据钼当量准则，一系列室温强度超过1350mpa的超高强钛合金得到开发，例如ti-3al-8v-6cr-4mo-4zr(β-c)、ti-15mo-3al-2.7nb-0.25si(β-21s)、ti-6.5mo-4.5al-2.6nb-2cr-2zr-1v-1sn(tb17)、ti-5al-4mo-4v-4cr-3zr(ti-1300)、ti-5al-5mo-5v-3cr(ti-5553)等。上述超高强钛合金的共同特点是添加了大量的β稳定元素如mo、v、cr等进行固溶强化，以此提高合金的室温强度。但这也导致此类钛合金具有共同的缺点：(1)塑性差：高含量β稳定元素使合金钼当量较高，这导致合金经过固溶时效后强度较高，但塑性显著恶化(低于5％)；(2)成本高：β稳定元素的原料一般为各种中间合金，价格高昂，这导致这类合金的原料成本相较于传统tc4钛合金提高50％～250％；(3)密度大：β稳定元素例如mo、nb、fe等密度较高，高含量β稳定元素的加入会使合金的密度相较于传统tc4钛合金升高5％～20％。上述不足极大地限制了此类超高强钛合金的工程化应用，因此目前亟需开发一种低钼当量的低成本轻质超高强钛合金。
技术实现思路
1、针对现有超高强钛合金存在的不足，本发明旨在提供一种低钼当量的低成本轻质超高强钛合金及其制备方法，能够在低钼当量条件下获得超高强钛合金，同时合金的塑性保持在可接受的范围，合金的原料成本和密度相较于现有超高强钛合金显著降低，该合金在航空领域具有广泛的应用前景。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种低钼当量的低成本轻质超高强钛合金，按质量百分比计，合金成分组成如下：al：6％～8％、mo：0.5％～1.5％、v：0.5％～1.5％、cr：0.5％～2％、zr：0.5％～3％、c：0.1％～0.5％、余量为ti以及不可避免的杂质。
4、本发明所提供的低钼当量的低成本轻质超高强钛合金：以密度较低的α稳定元素al作为主要合金元素，减小钼当量，降低合金的密度，提供固溶强化，同时高含量的al元素添加会使合金中析出纳米有序ti3al(α2)相，可实现显著弥散强化效果；此外，主动引入间隙元素c，进一步增加合金中的固溶强化和析出强化效果；少量β稳定元素mo、v、cr的添加是为了固溶强化β相，降低相变点，增加淬透性，并提高合金的可加工性，同时cr元素还可细化时效析出的次生α相，从而显著提高合金强度；zr元素作为偏中性元素，提供固溶强化作用，可整体提升合金的室温强度。
5、本发明采用价格低廉且密度较低的al元素和c元素作为主要强化元素，取代传统高强钛合金中的高含量的成本和密度较高的β稳定元素，例如mo、v、w、fe、nb、mn等，在较低钼当量条件下获得室温强度大于1500mpa的超高强钛合金，且成本和密度显著降低，同时间隙元素c的引入强化了初生α相(αp)，提升了初生α相和β转变组织(βt)的协调变形能力，避免了αp/βt界面处应力集中导致的材料过早失效，进而使得该超高强钛合金的塑性不发生显著恶化(大于8％)。本发明通过合金元素的优化，解决了传统超高强钛合金塑性低、成本高和密度高的问题，提供了一种低钼当量的低成本轻质超高强钛合金，室温强度≥1500mpa，延伸率≥8％，同时原料成本和密度均显著低于传统高钼当量超高强钛合金。
6、本发明还提供了上述低钼当量的低成本轻质超高强钛合金的制备方法，包括以下步骤：
7、(1)熔炼：以海绵钛、al源、mo源、v源、cr源和zr源和c源为原料，将原料混合搅拌均匀后，压制成合金棒，将采用氩弧焊将合金棒焊接成真空自耗用电极，将所述电极进行2次～4次真空自耗熔炼成钛合金铸锭。
8、所述al源为al单质。
9、所述mo源为mo与ti形成的中间合金。
10、所述v源v与al形成的中间合金。
11、所述cr源为cr单质。
12、所述zr源为zr单质。
13、所述c源为c单质粉。
14、(2)热变形：对步骤(1)制得的钛合金铸锭采用金相法测得相变点温度；对所述钛合金铸锭进行1～2个火次的开坯锻造制成扁锭，锻造温度在相变点以上100℃～200℃，目的是破碎粗大铸态晶粒；将所述扁锭进行9～13个道次的轧制变形至指定厚度，轧制温度在相变点以下30℃～50℃，单道次变形量控制在10％-25％，最终得到板材。
15、(3)热处理：将步骤(2)制得的板材，在所述钛合金铸锭的相变点温度以下30℃～100℃保温20min～60min后，水冷至室温，然后在450℃～600℃下保温4h～8h，空气中自然冷却，得到本发明所述的一种低钼当量的低成本轻质超高强钛合金。
16、有益效果：
17、(1)本发明所提供的一种低钼当量的低成本轻质超高强钛合金，其合金元素重量百分比为：al：6％～8％、mo：0.5％～1.5％、v：0.5％～1.5％、cr：0.5％～2％、zr：0.5％～3％、c：0.1％～0.5％、余量为ti以及不可避免的杂质。其中高含量的al作为主要合金元素，可减小钼当量，降低合金的密度，且提供显著的固溶强化和ti3al弥散强化效果；间隙元素c的主动引入提供显著的固溶强化和tixc析出强化效果，同时强化了初生α相(αp)，使αp和βt的协调变形能力提升，避免了αp/βt界面处应力集中导致的材料过早失效，使得该超高强钛合金的塑性未显著恶化；cr元素的加入可显著细化时效析出的次生α相，提高合金强度；少量β稳定元素mo、v的添加是为了固溶强化β相，降低相变点，增加淬透性，提高合金的可加工性，同时zr元素作为偏中性元素，提供固溶强化，提升合金的室温强度。
18、(2)本发明的钛合金的室温强度≥1500mpa、延伸率≥8％，实现了优异强塑性匹配。
19、(3)本发明的超高强度钛合金的[mo]eq为0.46～5.0，而传统超高强度钛合金的[mo]eq通常在10以上，较低的[mo]eq使合金的原料成本及密度远低于传统超高强度钛合金。
20、(4)本发明的低钼当量的低成本轻质超高强钛合金，其强塑性、成本以及密度相较于目前常用的超高强度钛合金均具有明显优势，有望成为航空航天领域中超高强度钛合金的一种备选材料。
1.一种低钼当量的低成本轻质超高强钛合金，其特征在于：所述钛合金的各组成元素重量百分比为：al：6.0～8.0％；mo：0.5～1.5％；v：0.5～1.5％；cr：0.5％～2％；zr：0.5～3％；c：0.1％～0.5％，所述钛合金的钼当量远低于传统高强钛合金，这使得所述钛合金的原料成本和密度远低于传统高强钛合金，且同时具有超高强度和良好的塑性。
2.制备如权利要求1所述一种低钼当量的低成本轻质超高强钛合金的方法，其特征在于：包括如下步骤：
3.如权利要求2所述方法，其特征在于：步骤一所述熔炼为真空自耗熔炼，熔炼次数为2～4次，以保证组织成分均匀。
4.如权利要求2所述方法，其特征在于：步骤二所述开坯锻造火次为1～2个火次，锻造温度在相变点以上100℃～200℃，目的是破碎粗大铸态晶粒。
5.如权利要求2所述方法，其特征在于：步骤二所述轧制道次为9～13个道次，轧制温度在相变点以下30℃～50℃，各道次变形量控制在10％～25％。
6.如权利要求2所述方法，其特征在于：步骤三所述热处理方法为：将步骤二制得的板材，在所述钛合金铸锭的相变点温度以下30℃～100℃保温20min～60min后，水冷至室温，然后在450℃～600℃下保温4h～8h，空气中自然冷却。
