CN105039781A - 一种复合耐热钛合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合耐热钛合金，由以下重量百分比的成分组成：铝4.2-8.5wt%、锡1.5-4.8wt%、锆2.5-6.8wt%、钨0.8-2.8wt%、硅0.1-0.4wt%、铌0.5-2.0wt%、钒2.0-4.0wt%、硼4.2-8.5wt%、镧0.2-0.8wt%、钽1.5-2.5wt%、钇0.5-1.5wt%、余量为钛;通过熔炼、烧结、等温锻造和热处理工艺制备得到。本发明的钛合金具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和热稳定性优异，抗蠕变性能和热稳定性形成良好的匹配，可以在600℃甚至在700℃条件下长期使用。

Description

一种复合耐热钛合金

技术领域

本发明,具体涉及一种高性能金属结构材料技术领域,具体涉及一种复合耐热钛合金，还涉及该材料的制备方法。

背景技术

钛是最重要的结构金属之一。从在地壳中的量来说，钛的储量非常丰富，在结构金属中仅次于铝、铁、镁，位列第四位。在性能方面，钛具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好以及卓越的高温和低温等特性，因而被广泛用于航空航天工业、兵器工业、核工业、石油化工、冶金工业、机械工业舰船工业及海洋开发、以及医疗卫生等领域。特别地，钛及其合金是制造超音速飞机以及航天飞机和宇宙飞船的机翼骨架、蒙皮、机身板、机身骨架、发动机舱起落架等构件的理想材料。与钢和铝相比，钛合金在高温下仍具有良好的韧性和强度。因此，随着飞行速度的加快和部件工作温度的提高，钛和钛合金在航空航天工业中的用量越来越大。

目前先进航空发电机要求钛合金的使用温度达到600℃，儿常规钛合金的极限温度就是600℃，在此温度下，钛合金的某些性能急剧恶化，尤其是抗蠕变性能和热稳定性能无法达到使用要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种稳定性好的复合耐热钛合金。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种复合耐热钛合金，该复合耐热钛合金由以下重量百分比的成分组成：铝4.2-8.5wt%、锡1.5-4.8wt%、锆2.5-6.8wt%、钨0.8-2.8wt%、硅0.1-0.4wt%、铌0.5-2.0wt%、钒2.0-4.0wt%、硼4.2-8.5wt%、镧0.2-0.8wt%、钽1.5-2.5wt%、钇0.5-1.5wt%、余量为钛。

进一步地，该复合耐热钛合金由以下重量百分比的成分组成：铝5.2-6.8wt%、锡2.6-3.6wt%、锆3.8-4.2wt%、钨1.2-2.2wt%、硅0.2-0.3wt%、铌1.2-1.6wt%、钒2.8-3.2wt%、硼5.6-6.4wt%、镧0.4-0.6wt%、钽1.8-2.2wt%、钇0.7-1.2wt%，余量为钛。

进一步地，该复合耐热钛合金由以下重量百分比的成分组成：铝6.2wt%、锡3.1wt%、锆3.9wt%、钨1.8wt%、硅0.26wt%、铌1.4wt%、钒2.9wt%、硼5.8wt%、镧0.5wt%、钽2.0wt%、钇0.9wt%、余量为钛。

本发明的另一目的在于提供一种复合耐热钛合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）按照上述比例选取各成分，在1700-1740℃条件下熔化成钛合金液；

（2）在真空炉中进行烧结，真空度为-30Kpa，烧结温度为1248-1298℃，烧结时间为2-5h；

（3）在钛合金相变点温度以上20-50℃对步骤（2）得到的产物在等温锻造设备上进行第一火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-2-10^-3s^-1，锻造总变形大于50%；然后进行第二火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-2-10^-3s^-1，锻造总变形大于10%；

（4）热处理：1020-1040℃处理1.5-3h，保温0.25-0.5h，炉冷至920-940℃，保温0.25-0.5h，空冷910-930℃，保温0.25-0.5h，炉冷至720-740℃，保温0.25-0.5h，空冷。

进一步地，所述步骤（3）中高温等温锻造的始锻温度为1260℃，终锻温度为1120℃。

本发明的有益效果：本发明的钛合金具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和热稳定性优异，抗蠕变性能和热稳定性形成良好的匹配，可以在600℃甚至在700℃条件下长期使用。

具体实施方式

实施例1

一种复合耐热钛合金，由以下重量百分比的成分组成：铝4.2wt%、锡1.5wt%、锆2.5wt%、钨0.8wt%、硅0.1wt%、铌0.5wt%、钒2.0wt%、硼4.2wt%、镧0.2wt%、钽1.5wt%、钇0.5wt%、余量为钛。

制备方法：

（1）按照上述比例选取各成分，在1700℃条件下熔化成钛合金液；

（2）在真空炉中进行烧结，真空度为-30Kpa，烧结温度为1248℃，烧结时间为2h；

（3）在钛合金相变点温度以上20℃对步骤（2）得到的产物在等温锻造设备上进行第一火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-2s^-1，锻造总变形大于50%；然后进行第二火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-2s^-1，锻造总变形大于10%；

（4）热处理：1020℃处理1.5h，保温0.25h，炉冷至920℃，保温0.25h，空冷910℃，保温0.25h，炉冷至720℃，保温0.25h，空冷。

其中，步骤（3）中高温等温锻造的始锻温度为1260℃，终锻温度为1120℃。

所制备的合金棒材性能如下：

室温拉伸性能Rm≥745MPa，A5≥8％，Z≥19％；

高温蠕变性能600℃/160MPa/100h条件下残余变形≤0.26％；

热稳定600℃/100h热暴露后，Rm≥715MPa，A5≥3％，Z≥6％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥420Mpa。

实施例2

一种复合耐热钛合金，由以下重量百分比的成分组成：铝8.5wt%、锡4.8wt%、锆6.8wt%、钨2.8wt%、硅0.4wt%、铌2.0wt%、钒4.0wt%、硼8.5wt%、镧0.8wt%、钽2.5wt%、钇1.5wt%、余量为钛。

制备方法：

（1）按照上述比例选取各成分，在1740℃条件下熔化成钛合金液；

（2）在真空炉中进行烧结，真空度为-30Kpa，烧结温度为1298℃，烧结时间为5h；

（3）在钛合金相变点温度以上50℃对步骤（2）得到的产物在等温锻造设备上进行第一火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-3s^-1，锻造总变形大于50%；然后进行第二火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-3s^-1，锻造总变形大于10%；

（4）热处理：1040℃处理1.5-3h，保温0.5h，炉冷至940℃，保温0.5h，空冷930℃，保温0.5h，炉冷至740℃，保温0.5h，空冷。

其中，步骤（3）中高温等温锻造的始锻温度为1260℃，终锻温度为1120℃。

所制备的合金棒材性能如下：

室温拉伸性能Rm≥745MPa，A5≥7.5％，Z≥19％；

高温蠕变性能600℃/160MPa/100h条件下残余变形≤0.25％；

热稳定600℃/100h热暴露后，Rm≥705MPa，A5≥3％，Z≥6.3％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥420Mpa。

实施例3

一种复合耐热钛合金，由以下重量百分比的成分组成：铝5.2wt%、锡2.6wt%、锆3.8wt%、钨1.2wt%、硅0.2wt%、铌1.2wt%、钒2.8wt%、硼5.6wt%、镧0.4wt%、钽1.8wt%、钇0.7wt%、余量为钛。

制备方法：

（1）按照上述比例选取各成分，在1720℃条件下熔化成钛合金液；

（2）在真空炉中进行烧结，真空度为-30Kpa，烧结温度为1268℃，烧结时间为3h；

（3）在钛合金相变点温度以上35℃对步骤（2）得到的产物在等温锻造设备上进行第一火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-2s^-1，锻造总变形大于50%；然后进行第二火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-2s^-1，锻造总变形大于10%；

（4）热处理：1030℃处理2h，保温0.25-0.5h，炉冷至930℃，保温0.4h，空冷920℃，保温0.45h，炉冷至730℃，保温0.4h，空冷。

其中，步骤（3）中高温等温锻造的始锻温度为1260℃，终锻温度为1120℃。

所制备的合金棒材性能如下：

室温拉伸性能Rm≥745MPa，A5≥8.5％，Z≥19.5％；

高温蠕变性能600℃/160MPa/100h条件下残余变形≤0.25％；

热稳定600℃/100h热暴露后，Rm≥710MPa，A5≥3％，Z≥6％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥420Mpa。

实施例4

该复合耐热钛合金由以下重量百分比的成分组成：铝6.8wt%、锡3.6wt%、锆4.2wt%、钨2.2wt%、硅0.3wt%、铌1.6wt%、钒3.2wt%、硼6.4wt%、镧0.6wt%、钽2.2wt%、钇1.2wt%、余量为钛。

所制备的合金棒材性能如下：

室温拉伸性能Rm≥740MPa，A5≥8.2％，Z≥19％；

高温蠕变性能600℃/160MPa/100h条件下残余变形≤0.24％；

热稳定600℃/100h热暴露后，Rm≥710MPa，A5≥3％，Z≥6.2％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥420Mpa。

实施例5

一种复合耐热钛合金，由以下重量百分比的成分组成：铝6.2wt%、锡3.1wt%、锆3.9wt%、钨1.8wt%、硅0.26wt%、铌1.4wt%、钒2.9wt%、硼5.8wt%、镧0.5wt%、钽2.0wt%、钇0.9wt%、余量为钛。

所制备的合金棒材性能如下：

室温拉伸性能Rm≥750MPa，A5≥8.6％，Z≥19.7％；

高温蠕变性能600℃/160MPa/100h条件下残余变形≤0.22％；

热稳定600℃/100h热暴露后，Rm≥720MPa，A5≥3.8％，Z≥6.4％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥420Mpa。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种复合耐热钛合金，其特征在于：该复合耐热钛合金由以下重量百分比的成分组成：铝4.2-8.5wt%、锡1.5-4.8wt%、锆2.5-6.8wt%、钨0.8-2.8wt%、硅0.1-0.4wt%、铌0.5-2.0wt%、钒2.0-4.0wt%、硼4.2-8.5wt%、镧0.2-0.8wt%、钽1.5-2.5wt%、钇0.5-1.5wt%、余量为钛。

2.根据权利要求1所述的一种复合耐热钛合金，其特征在于：该复合耐热钛合金由以下重量百分比的成分组成：铝5.2-6.8wt%、锡2.6-3.6wt%、锆3.8-4.2wt%、钨1.2-2.2wt%、硅0.2-0.3wt%、铌1.2-1.6wt%、钒2.8-3.2wt%、硼5.6-6.4wt%、镧0.4-0.6wt%、钽1.8-2.2wt%、钇0.7-1.2wt%、余量为钛。

3.根据权利要求1所述的一种复合耐热钛合金，其特征在于：该复合耐热钛合金由以下重量百分比的成分组成：铝6.2wt%、锡3.1wt%、锆3.9wt%、钨1.8wt%、硅0.26wt%、铌1.4wt%、钒2.9wt%、硼5.8wt%、镧0.5wt%、钽2.0wt%、钇0.9wt%，余量为钛。

4.一种实现权利要求1所述的复合耐热钛合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）按照上述比例选取各成分，在1700-1740℃条件下熔化成钛合金液；

（2）在真空炉中进行烧结，真空度为-30Kpa，烧结温度为1248-1298℃，烧结时间为2-5h；

（3）在钛合金相变点温度以上20-50℃对步骤（2）得到的产物在等温锻造设备上进行第一火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-2-10^-3s^-1，锻造总变形大于50%；然后进行第二火次的高温等温锻造，锻造过程中恒定应变速率控制为10^-2-10^-3s^-1，锻造总变形大于10%；

（4）热处理：1020-1040℃处理1.5-3h，保温0.25-0.5h，炉冷至920-940℃，保温0.25-0.5h，空冷910-930℃，保温0.25-0.5h，炉冷至720-740℃，保温0.25-0.5h，空冷。

5.根据权利要求4所述的复合耐热钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中高温等温锻造的始锻温度为1260℃，终锻温度为1120℃。