CN102329983A

CN102329983A - 一种耐600℃以上高温的钛合金

Info

Publication number: CN102329983A
Application number: CN 201010225366
Authority: CN
Inventors: 王敏敏; 罗月新; 计波
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-01-25

Abstract

本发明公开了一种耐600℃以上高温的钛合金，其化学元素质量百分配比为：Al：5.5％～7.0％，Sn：2.5％～4.0％，Zr：1.0％～3.0％，Mo：1.0％～3.0％，Nb：1.5％～3.0％，Si：0.10％～0.40％，Ce：0.05％～1.0％，Ta：0.1％～5.0％，C：0.1％～2.0％，B：0.1％～2.0％，余量为Ti和其他不可避免的杂质。该钛合金可在高于600℃的温度下使用，同时保证了高温下优异的力学性能。

Description

一种耐600℃以上高温的钛合金

技术领域

本发明涉及一种钛合金，尤其涉及一种耐高温的钛合金。

背景技术

钛合金因其具有高的比强度而广泛应用于航空航天领域。20世纪80年代以来，美、英、俄等国家成功研制出Ti-1100、IMI834、BT36等合金，这些钛合金的使用温度达550～600℃。国内也研制出600℃温度下使用的Ti-600、Ti-60高温钛合金。

随着现代航空航天技术的发展，对于使用温度高于600℃的高温钛合金需求的呼声也越来越高。目前研制高于600℃使用温度的钛合金所遇到的主要问题是合金的热稳定性同热强性的矛盾，其中热稳定性所涉及到的钛合金相结构的稳定性和合金表面氧化问题，随着温度的升高显得愈来愈突出。

公开号为CN1031721，公开日为1989年3月15日，名称为“一种耐热钛合金”的中国专利文献；以及公开号为CN101050479，公开日为2007年10月10日，名称为“一种含稀土高温固溶强化耐热钛合金”的中国专利文献所涉及的钛合金分别加入了稀土元素钕、钇，虽然加入稀土元素后可以细化晶粒、提高蠕变性能，但其使用温度仍停留在600℃，其原因在于追求强度而采取的高合金化，使合金长时间工作后脆性相析出的几率增大，导致组织不稳定。此外，高温下氧的渗入会在合金表面形成富氧层，从而导致合金表面不稳定。

公开号为CN101074464，公开日为2007年11月21日，名称为“复合强化耐热钛合金”的中国专利文献所涉及的钛合金加入了稀土元素镧、硼，使得其使用温度可高于600℃，但由于其为颗粒和短纤维增强的复合材料，硬质的第二相引入后导致材料的加工性能变差。虽然其在高于600℃具有较好的综合性能，但是其加工区间较窄，热加工温度较高，增加了材料的加工难度，也提高了材料成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐600℃以上高温的钛合金，该种钛合金可以在高于600℃的高温下使用，在该使用温度下，钛合金的力学性能优异，且具有良好的成型性。

根据本发明的上述目的，本发明提出一种耐600℃以上高温的钛合金，其化学元素质量百分配比为：

Al：5.5％～7.0％，Sn：2.5％～4.0％，Zr：1.0％～3.0％，Mo：1.0％～3.0％，Nb：1.5％～3.0％，Si：0.10％～0.40％，Ce：0.05％～1.0％，Ta：0.1％～5.0％，C：0.1％～2.0％，B：0.1％～2.0％，余量为Ti和其他不可避免的杂质。

上述各化学元素的成分设计原理如下：

上述Al、Sn、Zr、Mo、Nb、Si元素为高温钛合金常用的合金化元素。这些元素中，Al属于α相稳定化元素；Mo、Nb、Si属于β相稳定化元素；Sn、Zr是中性元素。

Al是高温钛合金中最主要的合金化元素，其主要作用有：固溶强化、降低合金的密度、提高再结晶和相变温度。此外，Al还可以提高氢在α相中的溶解度，减少因氢化物析出而引起的氢脆。但是Al在高温钛合金中的不利作用也很明显。根据Ti-Al相图，Al在Ti中的极限溶解度为7.5wt％，Ti中的Al含量超过此值后，合金会在时效或高温使用过程中析出硬脆的α₂相，损害合金的塑性和断裂韧性。为了避免因析出过量α₂相引起合金的脆化，最大限度地发挥Al的固溶强化作用，本发明将Al元素含量控制在5.5～7.0wt％。

Sn和Zr在高温钛合金中属于中性元素，它们在α相和β相中均有较大的固溶度，这两种元素与其他元素一起加入可以起到补充强化的作用；其中Sn还能降低合金对氢脆的敏感性。与Al元素相比，这两种元素形成α₂相的倾向性较小。它们的加入可以在不降低合金室温塑性的条件下显著提高合金的高温强度。因此本发明将Sn元素含量控制在2.5～4.0wt％；Zr含量控制在1.0～3.0wt％。

Mo和Nb是最常用的β相稳定化元素，它们能够显著降低α+β/β临界转变温度。高温钛合金中加入少量的Mo和Nb，可在室温下获得少量的β相，使合金具有较好的室温塑性，但过高的Mo含量对钛合金的组织稳定性会产生不利的影响。因此，合金中添加Nb元素，替代部分的Mo元素，可以起到多元强化的作用，本发明将Mo元素含量控制在1.0～3.0wt％，Nb含量控制在1.5～3.0wt％。

Si元素在高温钛合金中是十分重要的微量合金化元素。固溶态Si能与其它合金元素形成溶质原子气团，阻碍位错运动，降低合金的堆垛层错能，从而降低高温下位错的可动性，限制交滑移发生，提高合金的高温拉伸强度和蠕变性能。但是，含Si量较高的高温钛合金在进行时效处理或使用过程中，超过固溶极限的Si元素将以硅化物的形式析出，过量的硅化物会导致合金塑性下降，裂纹扩展速率增加，并降低合金的低周疲劳性能。因此，本发明将Si含量控制在0.1～0.4wt％。

除了上述常规合金元素，本发明还以第二相增强的方式，加入了稀土元素Ce，以及C、B、Ta元素。

Ce是表面活性元素，其主要作用是细化晶粒，从而促进变形的均匀和改善硅化物的分布，稀土Ce的加入可提高晶界扩散激活能，降低晶界运动。Ce的内氧化可降低固溶体中氧含量和有效的铝当量，氧化物的粒子可产生弥散强化等作用。因此，稀土元素Ce首先是一种强烈的脱氧剂，能有效夺取合金中的氧，改善合金的力学性能，提高合金的抗氧化性能。其次，Ce的氧化物是一种高熔点化合物，弥散分布时起强化作用，并可提高合金的高温瞬时强度及蠕变强度；再次，Ce元素在一定程度上缓解了合金组织和表面的不稳定性问题。但加入过量的Ce元素，将形成较大的氧化物颗粒，对合金性能反而不利，因此，本发明将Ce元素含量控制在0.05～1.0wt％.

Ta金属只有一种体心立方点阵，所以它只与具有相同晶型的β-Ti形成连续固溶体，而与密排六方点阵的α-Ti则形成有限固溶体。当Ti与Nb、Ta、Mo等元素组成多元合金时，也将形成多元的β连续固溶体和α有限固溶体。Ti与Zr、Nb、Ta、Mo等元素形成的是置换固溶体，点阵歪扭程度小，所以在这类合金元素含量高的固溶体钛合金中，不但可以提高强度，而且能保持较高的塑性。但是由于Ta的比重大，加入Ta含量越高，形成新合金的密度也会增加，这不利于提高合金的比强度。因此，本发明将Ta含量控制在0.1～5.0wt％。

B和C以中间合金方式加入到钛合金中，在熔炼过程中，会形成增强相有TiB、TiC。由于TiB为短纤维状，其独特的晶体结构，在钛合金中易于定向分布，可以承担载荷，从而提高合金的性能；TiC为颗粒状，在合金中均匀分布，起到强化作用。但是B和C元素的加入量要适当，否则过多的加入量容易形成粗大的第二相，起不到强化作用，反而降低合金性能。因此，本发明将B含量控制在0.1～2.0wt％，将C含量控制在0.1～2.0wt％。

本发明所述的钛合金较之现有的钛合金具有以下优点：

(1)其制备方法简单：本发明所述的钛合金加工过程简单易行，不需要特殊工艺或设备，使用传统钛合金的制备设备、工艺便可进行生产；

(2)其力学性能优异，在600℃以上具有较好的拉伸；

(3)其成型性好：本发明所述的钛合金在950～1050℃变形抗力较小，具有较好的超塑性能，适合异形结构件的超塑成型，可以满足航天产业对高温钛合金材料的性能要求。

说明书附图

图1为本发明所述的钛合金实施例1的微观组织图。

图2所示的是本发明所述的钛合金实施例5的背散射电子扫描电镜照片。

图3为本发明所述的钛合金实施例5在不同温度下的应力-应变曲线。

具体实施方式

实施例1-5

混料时，按比例加入所需中间合金，稀土元素Ce以Al-Ce中间合金形式加入，Ta以中间合金方式加入，C以石墨粉加入，B以B粉或B₄C粉加入，充分混合均匀后，压制成电极，在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼。然后通过快锻、径锻和轧制，得到直径为25mm的钛合金棒材。表1为实施例1-5中各钛合金的化学成分含量表。

表1.(重量百分比)

实施例	Al	Sn	Zr	Mo	Nb	Si	Ce	Ta	B	C
											1	5.5	2.5	1.2	2.4	1.6	0.1	0.9	0.2	0.1	0.1
2	5.8	3.5	2.5	2.8	1.9	0.1	0.08	4.8	2.0	2.0
											3	6.2	3.2	2.9	1.2	2.6	0.4	0.12	0.2	0.1	0.1
4	6.5	4.0	1.8	1.5	2.9	0.4	0.6	4.8	2.0	2.0
											5	6.8	2.8	2.1	1.9	2.3	0.26	0.3	2.3	0.4	0.2

发明人对实施例1-5和作为对比例的牌号为IMI834的钛合金在室温下和600～700℃的使用温度下分别进行了力学性能试验，试验结果见表2。

表2.

由表2可知，本发明所述的钛合金在高于600℃的使用温度下，其抗拉强度高达500～800MPa，比目前国外600℃用的典型合金的室温及高温拉伸性能都要高，可以满足高于600℃温度下对材料更高性能的要求。另外，发明人对于实施例5在高温下进行热模拟试验，结果如图3所示，由图3可以看出该钛合金在950～1050℃变形抗力较小。同时发明人在950～980℃对实施例5中的钛合金进行拉伸试验，证明其延伸率可达到1000％，具有较好的超塑性能。

图1所示的是实施例1的钛合金的微观组织图，从图中可以看出钛合金均匀的微观组织上分布有小尺寸的短棒状的TiB和颗粒状的TiC。

图2所示的是实施例5中钛合金的背散射扫描电镜照片，从图2中可以看出小尺寸的短棒状的TiB和颗粒状的TiC。这种组织中均匀弥散分布的小尺寸颗粒可以对钛合金起强化作用，提高合金的高温瞬时强度，并可提高合金的抗氧化能力。

本发明所述的钛合金在950℃以上进行变形时，变形非常容易进行，且不产生裂纹，适合异形结构件的超塑成型，可以满足航天产业等高端产业对高温钛合金材料的性能要求。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种耐600℃以上高温的钛合金，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：

Al 5.5％～7.0％

Sn 2.5％～4.0％

Zr 1.0％～3.0％

Mo 1.0％～3.0％

Nb 1.5％～3.0％

C 0.1％～2.0％

Ce 0.05％～1.0％

Si 0.10％～0.40％

B 0.1％～2.0％

Ta 0.1％～5.0％

余量为Ti和其他不可避免的杂质。