CN102952968A

CN102952968A - 一种颗粒强化的耐热钛合金

Info

Publication number: CN102952968A
Application number: CN2011102431728A
Authority: CN
Inventors: 肖旅; 吕维洁; 覃继宁; 张荻
Original assignee: Shanghai Space Precision Machinery Research Institute
Current assignee: Shanghai Space Precision Machinery Research Institute
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-03-06

Abstract

一种颗粒强化耐热钛合金，属于稀有金属技术领域。本发明各组分重量百分比含量为：Al 4％-7％；Sn 3％-6％；Zr 3％-6％；Mo 0.6％-1.5％；Nb 0.5％-1.5％；Si 0.1％-0.5％；B 0.1％-1.1％；C 0.03％-0.3％；Ti为余量。本发明的钛合金在600-650℃下仍然保持有良好的高温强度、抗蠕变、热稳定等综合性能，热加工工艺窗口宽，熔体充型流动性良好，可铸造成型，变形件和铸件的热处理工艺窗口宽。本发明的钛合金，为新一代发动机提供理想的压气机盘、后机匣以及叶片材料，可应用于航天、航空的耐高温领域。

Description

一种颗粒强化的耐热钛合金

技术领域

本发明涉及的是一种金属材料技术领域的钛合金，具体是颗粒强化的耐热钛合金。

背景技术

耐热钛合金主要用于航天、航空等材料服役温度较高的领域。例如发动机对材料的要求苛刻，要求其具有良好的室温性能、高温强度、蠕变抗力、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等的匹配。目前，比较成熟的耐热钛合金如IMI834(英国)、Ti-1100(美国)、BT36(俄罗斯)等已应用于航空航天领域，我国在此方面也颇有建树，研制了600℃使用的Ti60、Ti600以及阻燃钛合金Ti40。然而，与国外获得实际应用的耐热钛合金比较，国内耐热钛合金综合性能与国外尚存在差距，并不能满足国家航天、航空领域的需求。

经文献检索发现，徐国栋等人在《稀有金属》，2008年12月，774-780，撰文“高温钛合金的发展和应用”，综述了国内外耐热钛合金的发展和研究现状，从合金体系来说，Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α钛合金在高温钛合金中占主导地位；Si元素几乎是高温钛合金中必不可少的重要元素；Nb、Y、Ce、Nd等稀土元素可提高合金的抗氧化性能，正得到越来越广泛的应用。然而，这种依靠多合金化的发展思路使得钛合金的耐热温度难以进一步提高。此外，高温钛合金几个关键性能对材料的成分和组织的要求通常是矛盾的，这也是限制耐热钛合金向更高温度发展的主要因素。

经专利检索发现，吕维洁等人在ZL200710042304.4，2009年2月授权，发明了一种复合强化耐热钛合金，通过在钛合金熔炼过程中添加镧的硼化物，制备含有TiB和镧氧化物强化相的钛合金，该合金具有优异的高温强度、抗蠕变、热稳定性等综合性能。然而在实施中发现，该合金虽然性能优异，但对工艺条件要求较为苛刻，特别是其热加工、热处理工艺窗口较窄，材料性能对工艺参数过于敏感，造成产品质量不稳定，工程化应用难度较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种颗粒强化耐热钛合金。该钛合金在600℃拥有非常好的耐热性能，易于热加工，且熔体充型流动性良好，可以铸造成型。采用真空自耗熔炼技术，制备含有TiB和TiC增强相的钛合金母合金锭，并通过热加工或铸造方法制造出所需的零件。合金中C元素比一般耐热钛合金高，其热加工和热处理的工艺窗口均较宽。本发明的耐热钛合金使用温度可达600-650℃。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明各组分重量百分比含量为：Al 4％-7％；Sn 3％-6％；Zr 3％-6％；Mo 0.6％-1.5％；Nb 0.5％-1.5％；Si 0.1％-0.5％；B 0.1％-1.1％；C 0.03％-0.3％；Ti为余量。

所述的Al，其优选范围是：5％-6.5％；所述的Sn，其优选范围是：4％-5％；所述的Zr，其优选范围是：4％-5％；所述的Mo，其优选范围是：0.8％-1.2％；所述的Nb，其优选范围是：0.7％-1.2％；所述的Si，其优选范围是：0.2％-0.4％；所述的B，其优选范围是：0.2％-0.7％；所述的C，其优选范围是：0.06％-0.2％。

与现有技术相比，本发明的钛合金在600-650℃下仍然保持有良好的高温强度、抗蠕变、热稳定等综合性能，热加工工艺窗口宽，熔体充型流动性良好，可铸造成型，变形件和铸件的热处理工艺窗口宽。本发明的钛合金，为新一代发动机提供理想的压气机盘、后机匣以及叶片材料，可应用于航天、航空的耐高温领域。

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3中材料的室温、高温强度与IMI834、Ti1100等耐热钛合金的对比图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例列举的合金成分。

实施例1

利用真空自耗电弧熔炼法和热加工法制备名义质量百分比为Al6％-Sn4.5％-Zr4.5％-Mo1％-Nb0.9％-Si0.3％-B0.4％-C0.1％的耐热钛合金。

按质量百分比称取一级海绵钛(80％)、B₄C化合物(0.5％)、AlNb(Nb的质量百分比53％)中间合金粉末(1.6％)、铝粉(4.2％)、AlMo(Al和Mo的质量百分比50％)中间合金粉末(2.0％)、TiSn(Sn的质量百分比65％)中间合金粉末(6.9％)、一级海绵锆(4.5％)、结晶硅粉末(0.3％)。

原料混合均匀后在630吨液压机上压制成电极棒；然后将电极放入真空自耗电弧炉中进行一次熔炼，获得一次锭；再将两个一次锭用氩弧焊机焊接后，放入自耗电弧炉进行二次熔炼，获得二次锭；第三次熔炼工艺与二次熔炼相同。表面车光后的三次锭经1090-1180℃自由锻造、950-1020℃二次热加工，自由锻及二次加工的变形量都在75％以上，得到变形件。采用优选的热处理工艺：1020℃、1小时、空冷的固溶处理+650℃、2小时、空冷的时效处理。该合金增强相细小且分布均匀，室温拉伸性能、高温拉伸性能、蠕变抗力均十分优异，且热稳定性良好。下面分别列出本实施例各种性能数据，如表1-表4所示，其中σ_b为抗拉强度，σ_0.2为规定非比例屈服强度，δ为断裂延伸率。

表1 室温拉伸性能

σ_b(MPa)	σ_0.2(MPa)	δ(％)
			1150	1080	10

表2 高温拉伸性能

试验温度	σ_b(MPa)	σ_0 2(MPa)	δ(％)
				600	950	820	12
650	750	620	15
				700	640	550	23

表3 蠕变、持久性能

表4 热稳定性

实施例2

利用真空自耗电弧熔炼法和离心浇注法制备名义质量百分比为Al5％-Sn4％-Zr4％-Mo0.8％-Nb0.7％-Si0.2％-B0.2％-C0.06％的耐热钛合金铸件。

按质量百分比称取一级海绵钛(83.04％)、B₄C化合物(0.26％)、AlNb(Nb的质量百分比53％)中间合金粉末(1.3％)、铝粉(3.6％)、AlMo(Mo的质量百分比50％)中间合金粉末(1.6％)、TiSn(Sn的质量百分比65％)中间合金粉末(6％)、一级海绵锆(4％)、结晶硅粉末(0.2％)。

按照实施例1相同的熔炼工艺在真空自耗电弧炉中熔炼两次，得到二次母合金锭；二次锭经表面车光，与电极导杆焊接后装炉熔炼浇注，真空度为0.1Pa，坩埚水压为0.25-0.3MPa，熔炼电流为18000A，熔炼电压为40V，离心盘转速为300r/min；采用优选的热等静压工艺：930℃，110MPa下保温保压3小时，随炉冷却至300℃以下出炉；采用优选的热处理工艺：1000℃、1小时、空冷的固溶处理和600℃、2小时、空冷的时效处理。与实施例1相比，附铸试样室温、高温强度有较明显的降低，室温塑性和蠕变抗力有微弱的降低。

实施例3

利用真空自耗电弧熔炼法和热加工法制备名义质量百分比为Al6.5％-Sn5％-Zr5％-Mo1.2％-Nb1.2％-Si0.4％-B0.7％-C0.2％的耐热钛合金。

按质量百分比称取一级海绵钛(78.1％)、B₄C化合物(0.9％)、AlNb(Nb的质量百分比60％)中间合金粉末(2％)、铝粉(4.9％)、AlMo(Mo的质量百分比60％)中间合金粉末(2％)、TiSn(Sn的质量百分比75％)中间合金粉末(6.7％)、一级海绵锆(5％)、结晶硅粉末(0.4％)。

按照实施例1相同的三次熔炼工艺和热加工工艺，得到变形件。采用的热处理工艺为：1040℃、1小时、空冷的固溶处理+600℃、2小时、空冷的时效处理。与实施例1相比，变形件热处理后，强度和持久蠕变性能提高，而室温塑性降低。

实施例4

利用真空自耗电弧熔炼法和重力浇注法制备名义质量百分比为Al4％-Sn3％-Zr3％-Mo0.6％-Nb0.5％-Si0.1％-B0.1％-C0.03％的耐热钛合金铸件。

按质量百分比称取一级海绵钛(87.07％)、B₁C化合物(0.13％)、AlNb(Nb的质量百分比53％)中间合金粉末(0.9％)、铝粉(3％)、AlMo(Mo的质量百分比50％)中间合金粉末(1.2％)、TiSn(Sn的质量百分比65％)中间合金粉末(4.6％)、一级海绵锆(3％)、结晶硅粉末(0.1％)。

按照实施例1相同的熔炼工艺在真空自耗电弧炉中熔炼两次，得到二次母合金锭；二次锭经表面车光，凝壳炉熔炼工艺与实施例2相同，采用重力浇注法；热等静压和热处理工艺与实施例2相同。与实施例1相比，制得的耐热钛合金中增强相极为细小且分布均匀，附铸试样室温、高温强度有较明显的降低，蠕变抗力有微弱的降低，但具有更优异的室温塑性。

实施例5

利用真空自耗电弧熔炼法和热加工法制备名义质量百分比为Al7％-Sn6％-Zr6％-Mo1.5％-Nb1.5％-Si0.5％-B1.1％-C0.3％的耐热钛合金。

按质量百分比称取一级海绵钛(71.2％)、B₄C化合物(1.4％)、AlNb(Nb的质量百分比45％)中间合金粉末(3.3％)、铝粉(3.4％)、AlMo(Mo的质量百分比45％)中间合金粉末(3.3％)、TiSn(Sn的质量百分比55％)中间合金粉末(10.9％)、一级海绵锆(6％)、结晶硅粉末(0.5％)。

按照实施例1相同的三次熔炼工艺和热加工工艺，得到变形件。该材料增强相含量和合金元素含量相对较高，相变点也较高，采用以下热处理工艺：1060℃、1小时、空冷的固溶处理+600℃、1小时、空冷的时效处理。与实施例1相比，变形件热处理后，强度和持久蠕变性能明显提高，室温塑性降低。

附图1给出了实施例1、2、3中材料的室温、高温强度与IMI834、Ti1100等耐热钛合金的对比。

Claims

1.一种颗粒强化的耐热钛合金，其特征在于：各组分重量百分比含量为：Al 4％-7％；Sn 3％-6％；Zr 3％-6％；Mo 0.6％-1.5％；Nb 0.5％-1.5％；Si 0.1％-0.5％；B 0.1％-1.1％；C 0.03％-0.3％；Ti为余量。

2.根据权利要求1所述的颗粒强化的耐热钛合金，其特征在于：所述的Al，其优选重量百分比含量是：5％-6.5％。

3.根据权利要求1所述的颗粒强化的耐热钛合金，其特征在于：所述的Sn，其优选重量百分比含量是：4％-5％。

4.根据权利要求1所述的颗粒强化的耐热钛合金，其特征在于：所述的Zr，其优选重量百分比含量是：4％-5％。

5.根据权利要求1所述的颗粒强化的耐热钛合金，其特征在于：所述的Mo，其优选重量百分比含量是：0.8％-1.2％。

6.根据权利要求1所述的颗粒强化的耐热钛合金，其特征在于：所述的Nb，其优选重量百分比含量是：0.7％-1.2％。

7.根据权利要求1所述的颗粒强化的耐热钛合金，其特征在于：所述的Si，其优选重量百分比含量是：0.2％-0.4％。

8.根据权利要求1所述的颗粒强化的耐热钛合金，其特征在于：所述的B，其优选重量百分比含量是：0.2％-0.7％。

9.根据权利要求1所述的颗粒强化的耐热钛合金，其特征在于：所述的C，其优选重量百分比含量是：0.06％-0.2％。