CN106636746B - 一种高强度高延伸率高温钛合金及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种高强度高延伸率高温钛合金及其制备工艺，属于钛合金技术领域。由Al：5％‑7％、Sn：3％‑5％、Zr：4％‑6％、Mo：0.3％‑1.0％、Nb：0.5％‑0.8％、Ta：1％‑3％、Si：0.4％‑0.5％、C：0.01％‑0.1％、Er：0.1％‑0.2％和余量的Ti制成。称取的原材料，采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉进行熔炼；锻造：将合金铸锭进行等温单步轴向锻造，将铸锭在电阻炉中于1050℃保温后取出转运到锻造设备上进行热锻造，变形量为76.7％，锻造后空冷至室温。该发明制备的钛合金金的高强度高延伸率。

Description

一种高强度高延伸率高温钛合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种合金成分设计及其制备工艺，属于钛合金技术领域。

背景技术

钛及钛合金密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高低温性能好，是继钢铁、铝之后又一重要的结构材料，具有“第三金属”、“太空金属”等称号。尽管钛的工业化生产只有半个多世纪的历史，但目前钛及其合金已在航空、航天、航海、车辆工程、石油化工、冶金、机械、医疗、能源等众多领域获得广泛应用，尤其是航空航天领域。钛合金主要应用于飞机发动机轮盘、低压涡轮叶片、转子、鼓筒等部位，产品类型主要为锻件和板材，鉴于发动机对材料的要求苛刻,要求其具有良好的室温性能、高温强度和断裂韧性等的良好匹配，这就需要我们研制一种刚强度高延伸率的钛合金。

高温钛合金的热强化方式主要包括固溶强化和沉淀析出强化，目前所用的近α型Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高温钛合金，主要是以α相的固溶强化为主，同时适当利于弥散析出的α2相和硅化物相的沉淀强化作用，并通过合金化来提高β转变温度(Tβ)，从而提高热强性和抗氧化能力，把α相的固溶强化发挥到极致。对于高温钛合金，Tβ是个很重要的参数，提高Tβ有助于改善合金的热强性，但不能无限提高Tβ，在对合金成分进行设计时，还需要综合考虑合金的铝当量[Al]eq和钼当量[Mo]eq，将[Al]eq或[Mo]eq值作为钛合金设计的重要准则。

从国外高温钛合金发展历程可以看到，随着使用温度的升高，合金中添加的元素呈多元化趋势，如20世纪50年代初的Ti-6Al-4V，Ti-5Al-2.5Sn，Ti-8-1-1等合金化元素为2-3种；1984年研制成功的第一个600℃钛合金IMI834合金化元素增加到7种。可见如果缺乏必要的理论指导，采用传统炒菜试错的方法，自主研制高温钛合金会具有盲目性、研制周期长、风险高等缺陷。为此，HU等开展了合金化对钛合金力学性能影响的第一原理计算研究，采用LMTO-ASA超原胞总能方法，通过计算合金原子-空位相互作用能，***研究元素周期表中第3、4、5周期中大部分元素对近α型钛合金蠕变性能的影响。理论计算结果与实验研究结果高度吻合，如今已证实Fe、Ni对高温钛合金持久和蠕变性能有非常不利的影响。第一原理计算与高温钛合金力学性能间的桥梁，为高温钛合金合金化元素选择以及其作用预测提供了依据。本发明结合第一原理计算设计合金成分。

锻造是钛合金零件生产的重要途径之一，通过锻造不仅可以获得合适的锻件形状，更重要的是可提高合金的机械性能。钛合金铸锭开坯通常从β相转变温度以上100～150℃的β单相区开始，然后逐步降低加热温度，采用自由锻或径向锻造加工成短坯或棒材。改锻一般在α+β两相区或者在β转变温度附件交替进行，采用反复镦拔以破碎粗大的铸态组织，获得等轴组织，随后可根据实际需要采用自由锻或模锻等方式生产半成品或成品，本发明采用α+β锻造工艺。

发明内容

本发明要解决现有方法制备的钛合金抗拉强度及延伸率差的问题，而提供一种高强度高延伸率高温钛合金成及制备工艺。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案。

本发明的一种高强度高延伸率高温钛合金按质量百分比由Al：5％-7％、Sn：3％-5％、Zr：4％-6％、Mo：0.3％-1.0％、Nb：0.5％-0.8％、Ta：1％-3％、Si：0.4％-0.5％、C：0.01％-0.1％、Er：0.1％-0.2％和余量的Ti制成。

上述高强度高延伸率高温钛合金的制备工艺是按以下步骤进行：

(1)合金原材料的称取：按各元素重量百分比组成为5％-7％的Al、3％-5％的Sn、4％-6％的Zr、0.3％-1.0％的Mo、0.5％-0.8％的Nb、1％-3％的Ta、0.4％-0.5％的Si、0.01％-0.1％的C、0.1％-0.2％的Er和余量为Ti分别称取海绵钛、高纯铝锭、海绵锆、高纯硅、高纯钽片、高纯石墨粉、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo中间合金、Al-Er中间合金为原料；

(2)熔炼：将步骤(1)称取的原材料采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉进行熔炼，熔炼功率为150～170KW，熔体悬浮时间为50s-60s。为提高成分的准确性和均匀性，铸锭需反复熔炼三遍，得到钛合金铸锭；

(3)锻造：将步骤(2)得到的合金铸锭进行等温单步轴向锻造，将铸锭在电阻炉中于1050℃保温Tmin后取出转运到锻造设备上进行热锻造，变形量为76.7％，锻造后空冷至室温；锻造前要将铸锭钛合金切去冒口，铸锭四周涂上一层防氧化涂料，锭子四周包裹一层保温棉，锻造设置合适的加热温度及保温时间，防止出现加热时间太短以至铸锭加热不透，或加热时间太长造成β晶粒长大等情况。优选锻造时间为按1min/mm铸锭半径对应的时间记为t(即每mm半径对应1min，总时间为t)，T＝(1.3-1.5)t。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明所述的一种高强度高延伸率高温钛合金的成分设计及其制备工艺，具有：(1)本发明根据传统近α型Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高温钛合金的设计思想，添加一定量的弱β稳定元素Ta和稀土元素Er，Ta与Ti具有相近的原子半径和负电性，其在α-Ti中具有较大的固溶度，能起到很好的固溶强化作用，同时使合金保持较高的塑性，另外Ta还可以改善钛合金的高温抗氧化性。Er是稀土元素，在钛合金中添加稀土元素时，稀土元素夺取钛合金基体中的间隙氧元素，改善合金的韧性。另外稀土元素可以形成第二相弥散质点，能细化晶粒、增加位错密度，有利于提高合金的拉伸强度和蠕变抗力；(2)本发明材料的高温强化原理机理主要是靠控制Al当量、Mo当量的方法结合第一原理计算设计合金成分。

附图说明

图1钛合金室温拉伸性能对比柱状图；

图2钛合金高温拉伸性能对比柱状图；

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式。

实施例

本发明所述的一种高强度高延伸率高温钛合金，其成分安质量百分比包括：

Al：5％-7％、Sn：3％-5％、Zr：4％-6％、Mo：0.3％-1.0％、Nb：0.5％-0.8％、Ta：1％-3％、Si：0.4％-0.5％、C：0.01％-0.1％、Er：0.1％-0.2％和余量的Ti。

一种高强度高延伸率高温钛合金的制备工艺，具体步骤如下：

(1)合金原材料的称取：按各元素重量百分比组成为5％-7％的Al、3％-5％的Sn、4％-6％的Zr、0.3％-1.0％的Mo、0.5％-0.8％的Nb、1％-3％的Ta、0.4％-0.5％的Si、0.01％-0.1％的C、0.1％-0.2％的Er和余量为Ti分别称取海绵钛、高纯铝锭、海绵锆、高纯硅、高纯钽片、高纯石墨粉、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo中间合金、Al-Er中间合金为原料；

(2)熔炼：将步骤(1)称取的原材料采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉进行熔炼，熔炼功率为150～170KW，熔体悬浮时间为50s-60s。为提高成分的准确性和均匀性，铸锭需反复熔炼三遍，得到钛合金铸锭；

(3)锻造：将步骤(2)得到的合金铸锭进行等温单步轴向锻造，将铸锭在电阻炉中于1050℃保温40min后取出转运到锻造设备上进行锻造，变形量为76.7％，锻造后空冷至室温。锻造前要将铸锭钛合金切去冒口，切后的锭子尺寸约为直径60mm，高150mm；铸锭四周涂上一层防氧化涂料Ti-1200，以防止锭子在加热过程中过度氧化；锭子四周包裹一层保温棉，以防止加热后转运和锻造过程中锭子的过度降温；设置合适的加热温度及保温时间，防止出现加热时间太短以至铸锭加热不透，或加热时间太长造成β晶粒长大等情况。

本发明的具体实施例如下：

以下实施例1#—2#钛合金材料的制备工艺为：原材料采用海绵钛、高纯铝、海绵锆、高纯硅、高纯钽片、高纯石墨粉、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo中间合金、Al-Er中间合金经配料、混料后，用压机压制成电极，将电极在水冷铜坩埚真空感应熔炼炉熔炼3遍，制成合金铸锭；将得到的合金铸锭进行近等温单步轴向锻造，将铸锭在电阻炉中于1050℃保温40min后取出转运到锻造设备上进行锻造，变形量为76.7％，锻造后空冷至室温。

实施例1#—2#钛合金材料的合金成分(wt％)，见下表所示。

表1实施例1#—2#钛合金材料的合金成分(wt％)

实施例1#—2#钛合金材料的室温拉伸性能，见下表所示。

表2实施例1#—2#钛合金材料的室温拉伸性能

实施例1#—2#钛合金材料的650℃高温拉伸性能，见下表所示。

表2实施例1#—2#钛合金材料的650℃高温拉伸性能

从以上数据我们可以看到，本发明合金具有良好的室温和650℃高温强度及延伸率。可见本发明在提高钛合金强度及延伸率上效果显著，尤其是对高温延伸率明显提高。

Claims (3)

1.一种高强度高延伸率高温钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)合金原材料的称取：按各元素重量百分比组成为Al：5.8％-6.0％、Sn：3.5％-4.1％、Zr：4.3％-4.5％、Mo：0.4％-0.5％、Nb：0.7％、Ta：2.0％-2.4％、Si：0.4％-0.5％、C：0.05％-0.06％、Er：0.1％-0.11％和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝锭、海绵锆、高纯硅、高纯钽片、高纯石墨粉、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo中间合金、Al-Er中间合金为原料；

(2)熔炼：将步骤(1)称取的原材料采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉进行熔炼，熔炼功率为150～170kW，熔体悬浮时间为50s-60s；得到钛合金铸锭；

(3)锻造：将步骤(2)得到的合金铸锭进行等温单步轴向锻造，将铸锭在电阻炉中于1050℃保温Tmin后取出转运到锻造设备上进行热锻造，变形量为76.7％，锻造后空冷至室温；锻造设置合适的加热温度及保温时间，按1min/mm铸锭半径对应的时间记为t，T＝(1.3-1.5)t。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(2)为提高成分的准确性和均匀性，铸锭需反复熔炼三遍，得到钛合金铸锭。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(3)锻造前要将铸锭钛合金切去冒口，在铸锭四周涂上一层防氧化涂料，在锭子四周包裹一层保温棉。