CN107904440B - 一种高温钛合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高温钛合金材料及其制备方法，属于钛合金技术领域。按质量百分比由Al：6.5％～7％，Sn：3％～5％，Zr：6％～9％，Mo+W+Nb：1.2～4％,Si：0.2～0.4％，Re：0.1～0.3％和余量的Ti制成。采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉进行3次重熔后对合金在980℃采用多向锻造。本发明制备的高温钛合金其室温和高温性能均优异，展现出优异的服役性能，具有广阔的应用前景。

Description

一种高温钛合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种综合性能优异的新型高温钛合金材料及其制备方法，属于钛合金技术领域。
背景技术
钛合金具有熔点高、硬度高、密度小、比强度高、耐腐蚀等优异的性能，所以被广泛用于制造航空发动机压气机的盘件、叶片和机匣等零件，代替了钢或其它高温合金，减轻了发动机的质量，提高了发动机的推重比。高温钛合金研制一直是在先进航空发动机需求的牵引下而进行的，使用温度逐步提高，从20世50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的400℃提高到了以IMI834合金为代表的600℃。较为典型600℃使用的钛合金有英国帝国金属公司的IMI834合金、美国Timet公司的Ti-1100合金和中国的Ti60，Ti600合金。合金体系均为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系。近年来，随着航空工业的迅猛发展，新型先进航空发动机对高温钛合金的研究提出了新的需求，为了满足此需求，世界各国都在竞相发展600℃及以上温度长时间使用的高温钛合金。在600℃以上温度，建立在Al-Sn-Zr-Mo-Si体系基础上的固溶强化、α2和硅化物析出相强化基本已达极限，若进一步提高合金化程度难以保证最基本的热稳定性要求；因此材料的有效强化及强韧性匹配是发展600℃以上高温钛合金的技术难题。
发明内容
本发明针对现有方法制备高温钛合金材料的有效强化及强韧性不能良好匹配的问题，而提供的一种高温钛合金的设计及锻造方法。
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。
本发明的综合性能优异的高温钛合金，按质量百分比由Al：6.5％～7％，Sn：3％～5％，Zr：6％～9％，Mo+W+Nb：1.2～4％，Si：0.2～0.4％，Re：0.1～0.3％和余量为Ti制成。
上述高温钛合金的制备工艺是按以下步骤进行：
(1)、按元素质量百分比组成Al：6.5％～7％，Sn：3％～5％，Zr：6％～9％，Mo+W+Nb：1.2～4％，Si：0.2～0.4％，Re：0.1～0.3％和余量Ti，分别称取原料高纯铝、TiSn、海绵锆、Al-Mo、Al-W、Al-Nb、高纯硅、海绵钛，Ti-Re；将高纯铝、TiSn、海绵锆、Al-Mo、Al-W、Al-Nb、高纯硅、海绵钛分别放入对应坩埚，然后放入电阻炉中加热到120℃，对坯料进行去除潮气；
(2)、将去除潮气的坯料以及Ti-Re混合均匀，逐步均匀放入的模具中并在液压机上压成圆柱形坯料；
(3)、将圆柱形坯料放入清扫干净的真空感应熔炼炉中，对其进行抽真空；之后在氩气保护下先在40～60KW的功率下进行烘料2～5min,然后再在160～180KW的功率下进行熔炼，使熔体悬浮时间为45～90s；为使成分均匀，对铸锭进行3次熔炼，最后一次后放入预热后模具进行浇铸得到合金铸锭；
(4)、将步骤(3)得到的合金铸锭切去冒口后进行等温多向锻。具体步骤为：①锻造前将铸锭预热1～3min后喷涂防氧化涂料，随后涂抹石墨起润滑作用并绑上高温棉；②将步骤①得到的铸锭放入升至950℃～1000℃的电阻炉中保温30～50min；③将步骤②保温好的铸锭转运到锻造设备上进行第一步的锻造，变形速率为0.01S-1，对铸锭进行一次镦粗一次拔长，镦粗的变形量为30％～50％，拔长的变形量为20％～40％；④随后将步骤③得到的锻坯回步骤②950℃～1000℃的炉，保温10～15min后，进行如步骤③的锻造方法，然后空冷至室温。
优选：
步骤(3)先进行相对低真空的抽取，再进行高真空抽至10-2-10-1Pa后再进行充氩气熔炼；
步骤(3)中在氩气保护下先在50KW的功率下进行烘料3min。
步骤(4)①中锻造前将锭子在980℃预热1min后喷涂防氧化涂料，在铸锭的上下两端涂抹石墨后绑上高温棉。
步骤(4)的②中电阻炉升至980℃，并在该温度下铸锭保温40min.
步骤(4)的③中镦粗变形量40％，拔长变形量30％。
步骤(4)的④中锻坯回炉，保温10min。
本发明Mo+W+Nb：1.2～4％指的是三种元素的总量为1.2～4％，每一种元素均不为0.。
本发明制备了一种综合性能优异的新型高温钛合金材料，解决了高温钛合金在600℃以上强韧性不能良好匹配的问题，本发明的高温钛合金室温抗拉强度为1118.37MPa，屈服强度为1026.18MPa，延伸率为11.88％；650℃的抗拉强度高达704.75MPa，屈服强度达592.7MPa，延伸率达15.06％。
附图说明
图1是在980℃锻后室温和高温(650℃)拉伸后应力应变曲线
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
本发明综合性能优异的新型高温钛合金材料的制备按以下步骤进行：
一、按元素质量百分比组成Al：6.5％，Sn：2.5％，Zr：9％，Mo:0.5％，W：1％，Nb：1％，Si：0.25％，Re：0.1％，Ti：79.15％，分别称取原料。将称好的高纯铝、TiSn、海绵锆、Al-Mo、Al-W、Al-Nb、高纯硅、海绵钛(Ti-Re除外)分别放入对应坩埚，然后放入电阻炉中加热到120℃，对坯料进行去除潮气。
二、将去除潮气的坯料和Ti-Re除外混合均匀，逐步均匀放入相应的模具中并在液压机上压成圆柱形坯料。
三、将坯料放入清扫干净的真空感应熔炼炉中，对其进行抽真空。待真空度达到之后在氩气保护下先在50KW的功率下进行烘料3min,然后再在170KW的功率下进行熔炼，使熔体悬浮时间为60s。为使成分均匀，对铸锭进行3次熔炼，最后一次放入预热后模具进行浇铸得到Ф60×150mm合金铸锭。
四、将步骤三得到的合金铸锭切去冒口后进行等温多向锻。具体步骤为：①锻造前将铸锭预热1min后喷涂防氧化涂料，随后涂抹石墨起润滑作用并绑上高温棉；②将①得到的铸锭放入升至980℃的电阻炉中保温40min。③将②保温好的铸锭转运到锻造设备上进行第一步的锻造，变形速率为0.01S-1，对铸锭进行一次镦粗一次拔长，镦粗的变形量为40％，拔长的变形量为30％。④随后将③得到的锻坯回炉，保温10min后，进行如③的锻造方法，然后空冷至室温。
对实施例1所获得的高温钛合金进行力学性能测试，其力学性能数据如表一所示，应力应变曲线如图1所示，可以看出其综合性能优异。
实施例1方式所测拉伸性能如表一所示：
表1 980℃锻后室温和高温(650℃)拉伸后力学性能
Figure BDA0001479116500000031

Claims (8)

1.一种高温钛合金材料，其特征在于，按质量百分比由Al：6.5％～7％，Sn：3％～5％，Zr：6％～9％，Mo+W+Nb：1.2～4％，Si：0.2～0.4％，Re：0.1～0.3％和余量为Ti制成；制备方法，包括以下步骤：
(1)、按元素质量百分比组成Al：6.5％～7％，Sn：3％～5％，Zr：6％～9％，Mo+W+Nb：1.2～4％，Si：0.2～0.4％，Re：0.1～0.3％和余量Ti，分别称取原料高纯铝、TiSn、海绵锆、Al-Mo、Al-W、Al-Nb、高纯硅、海绵钛，Ti-Re；将高纯铝、TiSn、海绵锆、Al-Mo、Al-W、Al-Nb、高纯硅、海绵钛分别放入对应坩埚，然后放入电阻炉中加热到120℃，对坯料进行去除潮气；
(2)、将去除潮气的坯料以及Ti-Re混合均匀，逐步均匀放入的模具中并在液压机上压成圆柱形坯料；
(3)、将圆柱形坯料放入清扫干净的真空感应熔炼炉中，对其进行抽真空；之后在氩气保护下先在40～60KW的功率下进行烘料2～5min,然后再在160～180KW的功率下进行熔炼，使熔体悬浮时间为45～90s；对铸锭进行3次熔炼，最后一次后放入预热后模具进行浇铸得到Ф60×150mm合金铸锭；
(4)、将步骤(3)得到的合金铸锭切去冒口后进行等温多向锻； 具体步骤为：①锻造前将铸锭预热1～3min后喷涂防氧化涂料，随后涂抹石墨起润滑作用并绑上高温棉；②将步骤①得到的铸锭放入升至950℃～1000℃的电阻炉中保温30～50min；③将步骤②保温好的铸锭转运到锻造设备上进行第一步的锻造，变形速率为0.01S-1，对铸锭进行一次镦粗一次拔长，镦粗的变形量为30％～50％，拔长的变形量为20％～40％；④随后将步骤③得到的锻坯回步骤②950℃～1000℃的炉，保温10～15min后，进行如步骤③的锻造方法，然后空冷至室温。
2.制备权利要求1所述一种高温钛合金材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、按元素质量百分比组成Al：6.5％～7％，Sn：3％～5％，Zr：6％～9％，Mo+W+Nb：1.2～4％，Si：0.2～0.4％，Re：0.1～0.3％和余量Ti，分别称取原料高纯铝、TiSn、海绵锆、Al-Mo、Al-W、Al-Nb、高纯硅、海绵钛，Ti-Re；将高纯铝、TiSn、海绵锆、Al-Mo、Al-W、Al-Nb、高纯硅、海绵钛分别放入对应坩埚，然后放入电阻炉中加热到120℃，对坯料进行去除潮气；
(2)、将去除潮气的坯料以及Ti-Re混合均匀，逐步均匀放入的模具中并在液压机上压成圆柱形坯料；
(3)、将圆柱形坯料放入清扫干净的真空感应熔炼炉中，对其进行抽真空；之后在氩气保护下先在40～60KW的功率下进行烘料2～5min,然后再在160～180KW的功率下进行熔炼，使熔体悬浮时间为45～90s；对铸锭进行3次熔炼，最后一次后放入预热后模具进行浇铸得到Ф60×150mm合金铸锭；
(4)、将步骤(3)得到的合金铸锭切去冒口后进行等温多向锻； 具体步骤为：①锻造前将铸锭预热1～3min后喷涂防氧化涂料，随后涂抹石墨起润滑作用并绑上高温棉；②将步骤①得到的铸锭放入升至950℃～1000℃的电阻炉中保温30～50min；③将步骤②保温好的铸锭转运到锻造设备上进行第一步的锻造，变形速率为0.01S-1，对铸锭进行一次镦粗一次拔长，镦粗的变形量为30％～50％，拔长的变形量为20％～40％；④随后将步骤③得到的锻坯回步骤②950℃～1000℃的炉，保温10～15min后，进行如步骤③的锻造方法，然后空冷至室温。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)先进行相对低真空的抽取，再进行高真空抽至10-2-10-1Pa后再进行充氩气熔炼。
4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中在氩气保护下先在50KW的功率下进行烘料3min。
5.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)①中锻造前将锭子在980℃预热1min 后喷涂防氧化涂料，在铸锭的上下两端涂抹石墨后绑上高温棉。
6.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)的②中电阻炉升至980℃，并在该温度下铸锭保温40min。
7.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)的③中镦粗变形量40％，拔长变形量30％。
8.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)的④中锻坯回炉，保温10min。
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