CN104611610A - 一种高温高强钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于钛合金材料技术领域的一种高温高强钛合金及其制备方法，按重量百分比计算，该合金含有Al：6.0～7.0%，Sn：2～4%，Zr：3.5～3.8%，Hf：0.2～0.5%，且Zr和Hf之和为4%，Ta为0.3～0.8%且Nb和Ta之和为1.5～3%，W：0.5～1.5%，Si：0.2～0.5%，余量为Ti。本发明采用真空自耗电弧炉熔炼、开坯、中间锻造、轧制、退火或固溶时效处理后，获得650℃下的抗拉强度不低于720MPa，700℃下的抗拉强度不低于580MPa；700℃/350MPa下持久断裂时间不低于30min的钛合金；满足短时高温高强条件下对钛合金的应用需求。

Description

一种高温高强钛合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金材料领域，具体涉及一种高温高强Ti-Al-Sn-Zr(Hf)-Nb(Ta)-W-Si合金及其制备方法。
背景技术
高温钛合金具有比重小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，在航空航天等领域广泛应用。现有高温钛合金的研究主要是以航空为需求而开展的，主要性能指标是为了满足航空发动机的长时高温工作环境（不超过600℃），需要合金具有良好的高温强度、高温长时低应力持久蠕变性能和较好的热稳定性能及疲劳性能，以棒材和锻件为主。随着航天工业的发展，针对高速飞行器等的短时高温高强需求，需要提高合金的高温强度，且在大载荷下具有较好的短时持久蠕变性能，同时特别注重合金的超塑成型性能，以板材为主。现有典型的高温钛合金有美国的Ti-1100、英国的IMI834、俄罗斯的BT36和中国的Ti60等，使用温度不超过600℃，无法满足航天领域对高温钛合金的短时高强要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可在700℃及以下短时应用的高温高强Ti-Al-Sn-Zr(Hf)-Nb(Ta)-W-Si合金及其制备方法。
一种高温高强钛合金，其特征在于：该高温高强钛合金的组成及其各组分含量的重量百分比为Al：6.0～7.0%，Sn：2～4%，Zr：3.5～3.8%，Hf：0.2～0.5%，且Zr和Hf之和为4%，Ta为0.3～0.8%且Nb和Ta之和为1.5～3%，W：0.5～1.5%，Si：0.2～0.5%，余量为Ti，上述各组分的含量之和为100%。
上述高温高强钛合金的室温（25℃左右）抗拉强度不低于1150MPa，延伸率不低于8%；650℃下的抗拉强度不低于720MPa，700℃下的抗拉强度不低于580MPa；700℃/350MPa条件下，持久断裂时间不低于30min。
上述高温高强钛合金的室温抗拉强度为1170-1300MPa，延伸率为10-18%；650℃下的抗拉强度为720-800MPa；700℃下的抗拉强度为580-670MPa；700℃/350MPa条件下，持久断裂时间为35-90min。
一种上述高温高强钛合金的制备方法，具体工艺步骤为：
（1）按照以下重量百分比进行配料：Al：6.0～7.0%，Sn：2～4%，Zr：3.5～3.8%，Hf：0.2～0.5%，且Zr和Hf之和为4%，Nb和Ta之和为1.5～3%且Ta为0.3～0.8%，W：0.5～1.5%，Si：0.2～0.5%，余量为Ti；将称取的原料压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内熔炼成钛合金铸锭；
（2）将上述钛合金铸锭在1100～1150℃开坯，经中间锻造、轧制、退火或固溶时效处理后得到高温高强钛合金。
其中：
步骤（1）中所述原料为海绵Ti、火器级海绵Zr、海绵Hf、Al豆、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-40Ta中间合金、Ti-30W中间合金和Ti-50Si中间合金；
步骤（1）中的熔炼经3火次完成；
步骤（2）中的中间锻造温度为1030℃～1090℃，中间锻造经2～3火次完成，每火次变形量不低于50%；
步骤（2）中的轧制温度为950～1030℃，总变形量不低于75%，加热火次为2～3次。
本发明的高温高强Ti-Al-Sn-Zr(Hf)-Nb(Ta)-W-Si合金，采用真空自耗熔炼加开坯锻造、中间锻造、热轧工序，按照国标GB/T228-2002方法进行室温拉伸测试，按照GB/T4338-2006方法进行高温拉伸测试。所述合金的拉伸性能为：室温抗拉强度不低于1150MPa，延伸率不低于8%；650℃下的抗拉强度不低于720MPa，700℃下的抗拉强度不低于580MPa。按照国标GB/T2039-1997方法进行持久性能测试，所述合金性能为在700℃/350MPa条件下，持久断裂时间不低于30min；本发明的Ti-Al-Sn-Zr(Hf)-Nb(Ta)-W-Si合金材料在700℃及以下具有优异的室温和高温力学性能匹配，可以满足短时高温高强条件下对钛合金的应用需求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但并非因此而限制本发明的内容。
下列实施例中的材料均可以通过商业途径购买，其中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1：制备Ti-6.5Al-3Sn-3.7Zr-0.3Hf-2Nb-0.5Ta-1W-0.3Si合金
（1）Ti-6.5Al-3Sn-3.7Zr-0.3Hf-2Nb-0.5Ta-1W-0.3Si合金，原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、海绵Hf、Al豆、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-40Ta中间合金、Ti-30W中间合金、Ti-50Si中间合金，按照成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到Ti-6.5Al-2Sn-3.7Zr-0.3Hf-2Nb-0.5Ta-1W-0.3Si合金铸锭；
（2）将合金铸锭在1130℃开坯，然后经过中间锻造锻成板坯，锻造加热温度由1080℃逐渐降至1030℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50%；然后经过三火次轧制，在970℃轧制成厚度为3mm的板材；
（3）将上述制得的板材进行980℃/1h/空冷（AC）+600℃/2h/AC固溶时效处理。
材料性能：按照国标GB/T228-2002、GB/T4338-2006、GB/T2039-1997方法分别进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。合金室温抗拉强度1240MPa，延伸率15%；650℃的抗拉强度770MPa，700℃的抗拉强度640MPa，700℃/350MPa条件下，持久断裂时间为70min。
相比现有典型钛合金显著提高，如Ti60合金，650℃的抗拉强度670MPa。
实施例2：制备Ti-6Al-2Sn-3.5Zr-0.5Hf-1.2Nb-0.3Ta-0.5W-0.2Si合金
（1）Ti-6Al-2Sn-3.5Zr-0.5Hf-1.2Nb-0.3Ta-0.5W-0.2Si合金，原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、海绵Hf、Al豆、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-40Ta中间合金、Ti-30W中间合金、Ti-50Si中间合金，按照成分配比进行配料并压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到Ti-6Al-2Sn-3.5Zr-0.5Hf-1.2Nb-0.3Ta-0.5W-0.2Si合金铸锭；
（2）将合金铸锭在1110℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒坯，锻造加热温度由1070℃逐渐降至1030℃，中间锻造2火次完成，每火次变形量不低于50%；然后经过两火次轧制，在980℃轧制成直径为12mm的棒材；
（3）将上述制得的棒材进行800℃/2h/AC退火处理。
材料性能：按照国标GB/T228-2002、GB/T4338-2006、GB/T2039-1997方法进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1170MPa，延伸率18%；650℃的抗拉强度720MPa，700℃的抗拉强度580MPa，700℃/350MPa条件下，持久断裂时间为35min。
实施例3：制备Ti-7Al-4Sn-3.8Zr-0.2Hf-2.5Nb-0.5Ta-1.5W-0.5Si合金
（1）Ti-7Al-4Sn-3.8Zr-0.2Hf-2.5Nb-0.5Ta-1.5W-0.5Si合金，原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、海绵Hf、Al豆、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-40Ta中间合金、Ti-30W中间合金、Ti-50Si中间合金，按照成分配比进行配料并压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到Ti-7Al-4Sn-3.8Zr-0.2Hf-2.5Nb-0.5Ta-1.5W-0.5Si合金铸锭；
（2）将合金铸锭在1140℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒坯，锻造加热温度由1080℃逐渐降至1040℃，中间锻造2火次完成，每火次变形量不低于50%；然后经过三火次轧制，在970℃轧制成直径为16mm的棒材；
（3）将上述制得的棒材进行990℃/1h/AC+600℃/2h/AC固溶时效处理。
材料性能：按照国标GB/T228-2002、GB/T4338-2006、GB/T2039-1997方法分别进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1300MPa，延伸率12%；700℃的抗拉强度670MPa，700℃/350MPa条件下，持久断裂时间为90min。
实施例4：制备Ti-6.8Al-3.5Sn-3.5Zr-0.5Hf-2.2Nb-0.8Ta-0.5W-0.3Si合金
（1）Ti-6.8Al-3.5Sn-3.5Zr-0.5Hf-2.2Nb-0.8Ta-0.5W-0.3Si合金，原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、海绵Hf、Al豆、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-40Ta中间合金、Ti-30W中间合金、Ti-50Si中间合金，按照成分配比进行配料并压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到Ti-6.8Al-3.5Sn-3.5Zr-0.5Hf-2.2Nb-0.8Ta-0.5W-0.3Si合金铸锭；
（2）将合金铸锭在1120℃开坯，然后经过中间锻造锻成板坯，锻造加热温度由1070℃逐渐降至1030℃，中间锻造2火次完成，每火次变形量不低于50%；然后经过两火次轧制，在970℃轧制成厚度为6mm的板材；
（3）将上述制得的板材进行980℃/2h/AC退火处理。
材料性能：按照国标GB/T228-2002、GB/T4338-2006、GB/T2039-1997方法分别进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1260MPa，延伸率14%；700℃的抗拉强度645MPa，700℃/350MPa条件下，持久断裂时间为65min。
实施例5：制备Ti-6.0Al-2Sn-3.6Zr-0.4Hf-2.7Nb-0.3Ta-1.5W-0.5Si合金
（1）Ti-6.0Al-2Sn-3.6Zr-0.4Hf-2.7Nb-0.3Ta-1.5W-0.5Si合金，原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、海绵Hf、Al豆、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-40Ta中间合金、Ti-30W中间合金、Ti-50Si中间合金，按照成分配比进行配料并压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到Ti-6.0Al-2Sn-3.6Zr-0.4Hf-2.7Nb-0.3Ta-1.5W-0.5Si合金铸锭；
（2）将合金铸锭在1100℃开坯，然后经过中间锻造锻成板坯，锻造加热温度由1070℃逐渐降至1030℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50%；然后经过三火次轧制，在950℃轧制成厚度为1mm的板材；
（3）将上述制得的板材进行970℃/1h+600℃/2h固溶时效处理。
材料性能：按照国标GB/T228-2002、GB/T4338-2006、GB/T2039-1997方法分别进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1180MPa，延伸率14%；700℃的抗拉强度590MPa，700℃/350MPa条件下，持久断裂时间为40min。
实施例6：制备Ti-7Al-4Sn-3.5Zr-0.5Hf-1.2Nb-0.3Ta-0.5W-0.2Si合金
（1）Ti-7Al-4Sn-3.5Zr-0.5Hf-1.2Nb-0.3Ta-0.5W-0.2Si合金，原材料为0级海绵Ti、Al豆、火器级海绵Zr、海绵Hf、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-40Ta中间合金、Ti-30W中间合金、Ti-50Si中间合金，按照成分配比进行配料并压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到Ti-7Al-4Sn-3.5Zr-0.5Hf-1.2Nb-0.3Ta-0.5W-0.2Si合金铸锭；
（2）将合金铸锭在1150℃开坯，，然后经过中间锻造锻成板坯，锻造加热温度由1090℃逐渐降至1050℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50%；然后经过三火次轧制，在980℃轧制成厚度为3mm的板材；
（3）将上述制得的板材进行990℃/1h+600℃/2h固溶时效处理。
材料性能：按照国标GB/T228-2002、GB/T4338-2006、GB/T2039-1997方法分别进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。合金室温抗拉强度1285MPa，延伸率10%；650℃抗拉强度800MPa；700℃抗拉强度660MPa；700℃/350MPa条件下，持久断裂时间为75min。
实施例7：制备Ti-6.5Al-2Sn-3.7Zr-0.3Hf-2.5Nb-0.5Ta-0.5W-0.3Si合金
（1）Ti-6.5Al-2Sn-3.7Zr-0.3Hf-2.5Nb-0.5Ta-0.5W-0.3Si合金，原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、海绵Hf、Al豆、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-Ta中间合金、Ti-30W中间合金、Ti-50Si中间合金，按照成分配比进行配料并压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到Ti-6.5Al-2Sn-3.7Zr-0.3Hf-2.5Nb-0.5Ta-0.5W-0.3Si合金铸锭；
（2）将合金铸锭在1130℃开坯，经过两火次中间锻造，锻造加热温度由1080℃逐渐降至1040℃，制成板坯；然后经过3火次轧制，在960℃轧制成厚度为12mm的板材；
（3）将上述制得的板材进行980℃/1h+600℃/2h固溶时效处理。
材料性能：按照国标GB/T228-2002、GB/T4338-2006、GB/T2039-1997方法分别进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。合金室温抗拉强度1255MPa，延伸率15%；650℃的抗拉强度760MPa，700℃的抗拉强度630MPa，700℃/350MPa条件下，持久断裂时间为45min。

Claims (6)

1.一种高温高强钛合金，其特征在于：该高温高强钛合金的组成及其各组分含量的重量百分比为Al：6.0～7.0%，Sn：2～4%，Zr：3.5～3.8%，Hf：0.2～0.5%，且Zr和Hf之和为4%，Ta为0.3～0.8%且Nb和Ta之和为1.5～3%，W：0.5～1.5%，Si：0.2～0.5%，余量为Ti。
2.权利要求1中所述的高温高强钛合金的制备方法，其特征在于，具体方法包括下列步骤：
（1）按照以下重量百分比进行配料：Al：6.0～7.0%，Sn：2～4%，Zr：3.5～3.8%，Hf：0.2～0.5%，且Zr和Hf之和为4%，Nb和Ta之和为1.5～3%且Ta为0.3～0.8%，W：0.5～1.5%，Si：0.2～0.5%，余量为Ti；将称取的原料压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内熔炼成钛合金铸锭；
（2）将上述钛合金铸锭在1100～1150℃开坯，经中间锻造、轧制、退火或固溶时效处理后得到高温高强钛合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述原料为海绵Ti、火器级海绵Zr、海绵Hf、Al豆、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-40Ta中间合金、Ti-30W中间合金和Ti-50Si中间合金。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述熔炼经3火次完成。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述中间锻造的温度控制在1030℃～1090℃之间；中间锻造经2-3火次完成；每火次变形量不低于50%。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述轧制的温度为950～1030℃，加热火次为2～3次。
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