CN108588481A - 一种高强度高弹性模量钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度高弹性模量钛合金及其制备方法，所述钛合金的成分为按质量百分比为Mo:4.5％～6％，Al:5.0％～5.5.0％，V：2％～3.5％，Zr：1.5％～2.5％，余量为Ti。将原料粉末混合均匀后进行机械高能球磨，将球磨后的混合粉末压制成型后进行真空热压烧结；然后进行均匀化处理以及锻造，最后对锻造后的坯件进行固溶以及时效处理。本发明制备的钛基合金致密性好、组织均匀性、强度、韧性和弹性模量等均有一定程度的提高，很好解决航空航天应用领域对高强度以及高弹性模量材料的需求。

Description

一种高强度高弹性模量钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于材料及材料制备技术领域，提供了一种钛合金材料及其制备方法。
背景技术
由于钛合金具有比强度高，耐腐蚀性好，良好的塑性和冲击韧性等优异性能，广泛应用于航空发动机、压气机等叶盘和叶片的制造。在高温高压、交变载荷等复杂的工况下，对航空材料的综合性能提出了越来越高的要求。发动机叶片作为航空发动机的主要零部件之一，其可靠性直接关系到整个发动机的可靠性。叶片长期受到离心力和空气激振力等的复合作用，易在服役环境和外界激励下产生剧烈振动。叶片共振导致的振动疲劳失效成为压气机叶片的主要失效形式。据统计，发动机由振动引起的故障占总故障的60％以上，其中叶片振动故障占总振动故障的70％以上。如今，传统的钛合金的弹性模量普遍偏低。因此，制备一种高强度高弹性模量的钛合金对提高航空发动机抗振动性能具有重要的作用。
针对这一问题，申请号为200510127748.9的发明专利提出了一种高强度高弹性模量的钛合金，该发明的钛合金为ɑ+β两相钛合金，当将全体计为100wt.％时，含有4.5～9.0wt.％的铝，0.2～1.5wt.％的硼，0.5～5wt.％的β稳定元素，余量为钛。该发明的高强度高弹性模量的钛合金具有高强度高弹性而又不使钛合金加工性能和塑性指标恶化。但是，该发明只是概述了钛合金的元素组成，并没有详细说明所述钛合金的制备过程以及相关的工艺参数。而在钛合金的组成元素中，Al元素是典型的α稳定元素，具有溶解度高的特点，所以具有很好的固溶强化作用。与此同时，Al元素的加入可以提高钛合金的弹性模量和热稳定性。Mo和V元素的加入不仅可以提高钛合金的固溶强化作用，同时可以提高其热稳定性和抗蠕变性能。Zr属于中性元素，可以在β-Ti中无限固溶，不仅可以强化β相，还可以提高合金的抗蠕变能力。
本发明采用机械高能球磨，压制成型，真空热压烧结，均匀化处理与锻造，热处理相结合的工艺来制备高弹性模量钛基合金，同时还保证了材料的强度、塑形以及抗蠕变能力，具有重要的实用价值。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高强度高弹性模量钛合金的制备方法，可广泛应用于航空航天应用领域。
本发明的技术方案之一是：
一种高强度高弹性模量钛合金，其特征在于，其化学组成成分按质量百分比为Mo:4.5％～6％，Al:5.0％～5.5.0％，V：2％～3.5％，Zr：1.5％～2.5％，余量为Ti，各成分的质量百分比之和为100％。
本发明的技术方案之二是：
所述的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)合金制备：按成分配制混合粉末，在氩气的保护下进行机械高能球磨，使得球磨后的混合粉末成分均匀，且粉末尺寸不大于200nm；将球磨后的混合粉末压制成型为压块；将压制成型的压块进行真空热压烧结；
(2)均匀化处理以及锻造：将步骤(1)制备的合金进行均匀化处理，处理温度为1100±5℃，保温2h后进行锻造，得到锻坯；
(3)热处理：将步骤(2)锻造后的坯件进行固溶以及时效处理。
进一步的，所述步骤(1)机械高能球磨的球磨工艺为：球料比为5:1，球磨前利用正反转的方式进行混粉1h，转速为200r/min；球磨时转速350～450r/min，球磨时间24h，并且每球磨45min停10min。
进一步的，所述步骤(1)压制成型的压制工艺参数为：压制工作压力为450～500MPa，压制保持时间为30min，压块为圆块体，尺寸为φ100×30。
进一步的，所述步骤(1)真空热压烧结工艺为：抽真空至0.5×10-1Pa，升温速率为15～20℃/min，采用分步式进行加热加压，热压的工艺为(550℃*20MPa)×1h+(750℃*40MPa)×2h+(1000℃*70MPa)×2h+(1300℃*100MPa)×3h，最后随炉冷却到室温。
进一步的，所述步骤(2)锻造使锻坯的总变形量超过70％。
进一步的，所述步骤(3)固溶时效处理的工艺：固溶处理的温度为950℃，固溶保温时间为3h，然后进行室温水冷；时效处理温度为750℃，保温时间为5h，最后以100℃/h的速率炉冷至室温。
本发明的有益效果：
本发明制备的钛合金具有高强度、高韧性和高弹性模量等特点，很好解决航空应用领域对高强度以及高弹性模量材料的需求。
本发明通过机械高能球磨-压制成型-真空热压烧结相结合的方法的可以制备组织均匀的高强度高弹性模量钛合金，后续的均匀化处理以及锻造工艺可以有效提高合金的致密性；的致密性以及组织的均匀性。
本发明提供的高强度高弹性模量钛合金的制备方法操作简单，易实现，可重复性强。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的钛合金的微观组织形貌图。
图2是本发明实施例2中制备的钛合金的微观组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
首先，以Mo、Al、V、Zr和Ti元素为原料，配制100g的混合粉末，其中Mo粉6wt.％、Al粉5.5wt.％、V粉3wt.％、Zr粉2wt.％、Ti粉83.5wt.％，即称取Mo粉6.0g、Al粉5.5g、V粉3.0g、Zr粉2.0g、Ti粉83.5g；将粉末混合，混合粉末在氩气的保护下进行机械高能球磨，使得球磨后的混合粉末混合均匀，球料比为5:1，球磨前利用正反转的方式进行混粉1h，转速为200r/min；球磨时转速350～450r/min，球磨时间24h，并且每球磨45min停10min；最终得到的粉末尺寸不大于200nm；将球磨后得到的混合粉末压制成型至φ100×30的压块，压块为圆块体，压制工作压力为450～500MPa，压制保持时间为30min；再将压制成型的压块放置在真空烧结炉内进行真空热压烧结，先将炉内抽真空至0.5×10-1Pa，升温速率为15～20℃/min，采用分步式进行加热加压，加热以及加压的工艺为(550℃*20MPa)×1h+(750℃*40MPa)×2h+(1000℃*70MPa)×2h+(1300℃*100MPa)×3h，最后随炉冷却到室温。
然后，将真空热压烧结的合金进行均匀化处理，处理温度为1100±5℃，保温2h后进行锻造，锻坯的总变形量超过70％。
最后，对锻造后的坯件进行固溶以及时效处理；其中固溶处理的温度为950℃，固溶保温时间为3h，然后进行室温水冷；时效处理温度为750℃，保温时间为5h，最后以100℃/h的速率炉冷至室温。
经检测，上述步骤制备的钛基合金的致密度为99.02％；试样的力学性能为：抗拉强度为1285MPa，延伸率为12.02％，弹性模量为138GPa。制备的钛基合金的微观组织如附图1所示，可以看出本发明制备的钛合金属于双相合金，由晶粒形貌可以看出其组织成分均匀。
实施例2
首先，以Mo、Al、V、Zr和Ti元素为原料，Mo粉4.5wt.％、Al粉5.0wt.％、V粉3wt.％、Zr粉2wt.％、Ti粉83.5wt.％。称取Mo粉4.5g，Al粉5.0g，V粉3.0g，Zr粉2.0g，Ti粉85.5g，配制100g的混合粉末。将混合粉末在氩气的保护下进行机械高能球磨，使得球磨后的混合粉末混合均匀，球料比为5:1，球磨前利用正反转的方式进行混粉1h，转速为200r/min；球磨时转速350～450r/min，球磨时间24h，并且每球磨45min停10min；最终得到的粉末尺寸不大于200nm。将球磨后得到的混合粉末压制成型至φ100×30的压块，，压块为圆块体压制工作压力为450～500MPa，压制保持时间为30min。再将压制成型的压块放置在真空烧结炉内进行真空热压烧结，先将炉内抽真空至0.5×10-1Pa，升温速率为15～20℃/min，采用分步式进行加热加压，加热以及加压的工艺为(550℃*20MPa)×1h+(750℃*40MPa)×2h+(1000℃*70MPa)×2h+(1300℃*100MPa)×3h，最后随炉冷却到室温。
然后，将步骤真空热压烧结的合金进行均匀化处理，处理温度为1100±5℃，保温2h后进行锻造，锻坯的总变形量超过70％。
最后，对锻造后的坯件进行固溶以及时效处理；其中固溶处理的温度为950℃，固溶保温时间为3h，然后进行室温水冷；时效处理温度为750℃，保温时间为5h，再以100℃/h的速率炉冷至室温。
经检测，上述步骤制备的钛合金的致密度为98.61％；试样的力学性能为：抗拉强度为1261MPa，延伸率为11.87％，弹性模量为127GPa。制备的钛合金的微观组织如附图1所示，可以看出本发明制备的钛合金属于双相合金，由晶粒形貌可以看出其组织成分均匀。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高强度高弹性模量钛合金，其特征在于：其化学组成成分按质量百分比为Mo:4.5％～6％，Al:5.0％～5.5.0％，V：2％～3.5％，Zr：1.5％～2.5％，余量为Ti，各成分的质量百分比之和为100％。
2.权利要求1所述的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)合金制备：按成分配制混合粉末，在氩气的保护下进行机械高能球磨，使得球磨后的混合粉末成分均匀，且粉末尺寸不大于200nm；将球磨后的混合粉末压制成型为压块；将压制成型的压块进行真空热压烧结；
(2)均匀化处理以及锻造：将步骤(1)制备的合金进行均匀化处理，处理温度为1100±5℃，保温2h后进行锻造，得到锻坯；
(3)热处理：将步骤(2)锻造后的坯件进行固溶以及时效处理。
3.如权利要求2所述的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)机械高能球磨的球磨工艺为：球料比为5:1，球磨前利用正反转的方式进行混粉1h，转速为200r/min；球磨时转速350～450r/min，球磨时间24h，并且每球磨45min停10min。
4.如权利要求2所述的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)压制成型的压制工艺参数为：压制工作压力为450～500MPa，压制保持时间为30min，压块为圆块体，尺寸为φ100×30。
5.如权利要求2所述的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)真空热压烧结工艺为：抽真空至0.5×10-1Pa，升温速率为15～20℃/min，采用分步式进行加热加压，热压的工艺为(550℃*20MPa)×1h+(750℃*40MPa)×2h+(1000℃*70MPa)×2h+(1300℃*100MPa)×3h，最后随炉冷却到室温。
6.如权利要求2所述的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)锻造使锻坯的总变形量超过70％。
7.如权利要求2所述的高强度高弹性模量钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)固溶时效处理的工艺：固溶处理的温度为950℃，固溶保温时间为3h，然后进行室温水冷；时效处理温度为750℃，保温时间为5h，最后以100℃/h的速率炉冷至室温。
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