CN110484774B - 一种耐650℃高温钛合金 - Google Patents

一种耐650℃高温钛合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐650℃高温钛合金，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.5％～6.5％，Zr和Sn总计5.5％～9.0％且Sn/Zr的质量百分含量比值为0.5～1，Mo、Nb和Ta中的两种以上元素且每种元素均不超过0.8％，W 2％～3％，Si 0.3％～0.4％，Y 0.05％～0.1％，C和O总计0.1％～0.15％且C不低于0.03％，O不超过0.09％，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明的钛合金采用多元强化方式，添加高Al的同时添加Zr、Sn合金元素，Nb、Mo、Ta等β稳定元素和W、Y，使钛合金获得了良好的高温强度、塑性的匹配，提高钛合金的综合力学性能。

Description

一种耐650℃高温钛合金
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种耐650℃高温钛合金。
背景技术
高温钛合金具有密度低、比强度高、耐高温、抗蠕变性能以及抗疲劳性能优异等特点，主要用来制造压气机中的盘、叶片、进气机匣以及飞机结构件。目前以固溶强化为主要强化方式的传统高温钛合金使用温度最高能达到600℃，具有代表性的有英国的IMI834、美国的Ti-1100、俄罗斯的BT36、BT18y和中国的Ti60、Ti600和TG6，合金体系均为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-C系。
随着新型航空航天飞行器飞行速度的增加，气体热效应造成的飞行器壳体及其发动机部件使用温度瞬时可达650℃，甚至更高。传统高温钛合金要在600℃以上使用，需要克服两个关键的限制因素:高温抗蠕变性能和高温抗氧化性能。600℃高温下，钛合金的高温蠕变抗力和高温抗氧化性急剧下降，这也是目前制约钛合金长期服役温度进一步提升的技术瓶颈。因此，从国际上第一个600℃钛合金IMI834问世到现在的30年时间里，国际上未有成熟600℃以上航空发动机用高温钛合金的报道，但相关研究工作并未停止。日本神户制钢公司在IMI834钛合金基础上，添加1.0％的Ta元素取代Nb，使合金的β转变温度由1030℃提高到1054℃，提高了合金的高温持久、蠕变强度和抗氧化性；GE公司和Gigliotti等采用快速凝固粉末冶金的方法研制的体系为Ti-Al-Sn-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo-Er-Si、Ti-Al-Sn-Zr-Nb-Mo-Er-Si高温钛合金与Ti6242S合金相比，650℃抗拉强度和蠕变性能均有明显改善，但缺点是塑性偏低。国内中科院金属所联合北京航空材料研究院、宝钛集团研制的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta-W-C合金(Ti65)通过加入0.3％～3.4％的Ta元素虽然提高了合金抗氧化性，但合金650℃下的抗拉强度超过650MPa时延伸率也仅在10％～20％之间。总体上来说，我国600℃以上高温钛合金还处于研究阶段，在国内航空发动机上还没有得到应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种耐650℃高温钛合金。该钛合金采用多元强化方式，添加高Al的同时按比例添加Zr、Sn合金元素，Nb、Mo、Ta等β稳定元素和W、Y，在保证钛合金强度和蠕变抗力的同时避免钛合金产生脆性，提高了钛合金的加工塑性，使钛合金获得了良好的高温强度、塑性的匹配，同时有效协调钛合金的热稳定性能、蠕变性能和疲劳性能，提高钛合金的综合力学性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种耐650℃高温钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.5％～6.5％，Zr和Sn总计5.5％～9.0％且Sn/Zr的质量百分含量比值为0.5～1，Mo、Nb和Ta中的两种以上元素且每种元素均不超过0.8％，W 2％～3％，Si0.3％～0.4％，Y 0.05％～0.1％，C和O总计0.1％～0.15％且C不低于0.03％，O不超过0.09％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种耐650℃高温钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.5％，Sn 3.5％，Zr 5％，Nb 0.5％，Mo 0.5％，W 2.0％，Si 0.4％，Y 0.05％，C和O总计0.15％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种耐650℃高温钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6％，Sn 2.5％，Zr 5％，Nb 0.8％，Mo 0.3％，Ta 0.5％，W2.5％，Si 0.35％，Y 0.05％，C和O总计0.13％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种耐650℃高温钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.5％，Sn 4.5％，Zr 4.5％，Nb 0.8％，Ta 0.8％，W 2.5％，Si 0.3％，Y 0.1％，C和O总计0.1％，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种耐650℃高温钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6％，Sn 2.5％，Zr 3％，Nb 0.3％，Mo 0.3％，Ta 0.5％，W2.0％，Si 0.35％，Y 0.08％，C和O总计0.12％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本发明采用多元复合强化合金的设计理念，在高Al元素下按照比例添加Zr、Sn合金元素，使钛合金的Al当量处于7～9(Al当量计算公式为：[Al]eq＝Al+Sn/3+Zr/6+10O)，在保证钛合金强度和蠕变抗力的同时又不会形成过量的脆性α2相，避免钛合金产生脆性；通过添加少量的Nb、Mo、Ta等β稳定元素与Ti形成多元β连续固溶体和α有限固溶体，使钛合金具有良好的可加工性及抗氧化性；通过添加W和Y，细化了晶粒，改善了钛合金的力学性能；通过严格控制Si、C、O间隙元素的含量，防止过多的间隙元素加入量形成粗大的第二相降低钛合金塑性，从而本发明的钛合金高温下具有高拉伸强度的同时还具有高塑性。
本发明的耐650℃高温钛合金的制备方法具体过程为：根据需要选择中间合金与海绵钛按设计成分混合压制成电极，然后置于真空自耗电弧炉经熔炼制备钛合金铸锭，钛合金铸锭在锻造/轧制设备上进行多火次锻造/轧制加工制备钛合金成品锻件/板材，经固溶时效处理后应用。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用多元强化方式，添加高Al的同时按比例添加Zr、Sn合金元素，Nb、Mo、Ta等β稳定元素和W、Y，在保证钛合金强度和蠕变抗力的同时避免钛合金产生脆性，提高了钛合金的加工塑性，使钛合金获得了良好的高温强度、塑性的匹配，同时提高了钛合金时效强化效果。
2、本发明添加Si避免了降低钛合金塑性，保障了钛合金的高温蠕变性能。
3、本发明中C的加入增加钛合金中的两相区温度范围，增大钛合金的高温加工温度窗口，使得控制初生α相的含量变的相对容易。通过热处理，可以获得具有10％～15％初生α相的混合组织，有效协调钛合金的热稳定性能、蠕变性能和疲劳性能，提高钛合金的综合力学性能。
4、本发明的耐650℃高温钛合金经固溶时效热处理后的室温抗拉强度Rm≥1100MPa，屈服强度Rp0.2≥910MPa，延伸率A≥8％，在650℃的抗拉强度Rm≥680MPa，屈服强度Rp0.2≥580MPa，延伸率A≥20％。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例的耐650℃高温钛合金(名义成分为Ti-5.5Al-3.5Sn-5Zr-0.5Nb-0.5Mo-2W-0.4Si-0.05Y-0.06C-0.09O)由以下质量百分含量的成分组成：Al 5.5％，Zr 5％，Sn3.5％，Nb 0.5％，Mo 0.5％，W 2.0％，Si 0.4％，Y 0.05％，C 0.06％，O 0.09％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的耐650℃高温钛合金的制备过程为：将0级海绵钛、铝豆、Ti-80Sn合金、海绵锆、Al-75Nb合金、Al-60Mo合金、Al-10Si中间合金、Al-55W合金和C粉、Y粉按设计成分配料并混合压制成电极，将电极焊接后经三次真空自耗电弧熔炼制备钛合金铸锭，将钛合金铸锭表面及头部去除皮下气孔后依次进行开坯锻造、2火次高温β相区锻造以及2火次两相区锻造，得到□70mm(边长为70mm)的钛合金棒材，经1010℃/1hAC+650℃/2hAC处理后其室温抗拉强度Rm＝1120MPa，屈服强度Rp0.2＝1010MPa，延伸率A＝10.5％，在650℃的抗拉强度Rm＝700MPa，屈服强度Rp0.2＝580MPa，延伸率A＝26％。
实施例2
本实施例的耐650℃高温钛合金(名义成分为Ti-6Al-2.5Sn-5Zr-0.8Nb-0.3Mo-2.5W-0.5Ta-0.35Si-0.05Y-0.05C-0.08O)由以下质量百分含量的成分组成：Al 6％，Zr5％，Sn 2.5％，Nb 0.8％，Mo 0.3％，W 2.5％，Si 0.35％，Y 0.05％，C 0.05％，O 0.08％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的耐650℃高温钛合金的制备过程为：将0级海绵钛、铝豆、Ti-80Sn合金、海绵锆、Al-75Nb合金、Al-60Mo合金、Al-10Si中间合金、Al-55W合金、Ta粉和C粉、Y粉按设计成分配料并混合压制成电极，将电极焊接后经三次真空自耗电弧熔炼制备钛合金铸锭，将钛合金铸锭表面及头部去除皮下气孔后依次进行开坯锻造、2火次高温β相区锻造以及2火次两相区锻造，得到δ17mm(厚度为17mm)的钛合金板材，经1010℃/1hWQ+650℃/2hAC处理后其室温抗拉强度Rm＝1180MPa，屈服强度Rp0.2＝1000MPa，延伸率A＝11.0％，在650℃的抗拉强度Rm＝710MPa，屈服强度Rp0.2＝600MPa，延伸率A＝24％。
实施例3
本实施例的耐650℃高温钛合金(名义成分为Ti-6.5Al-4.5Sn-4.5Zr-0.8Nb-2.5W-0.8Ta-0.3Si-0.1Y-0.03C-0.07O)由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.5％，Zr4.5％，Sn 4.5％，Nb 0.8％，Ta 0.8％，W 2.5％，Si 0.3％，Y 0.1％，C 0.03％，O 0.07％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的耐650℃高温钛合金的制备过程为：将0级海绵钛、铝豆、Ti-80Sn合金、海绵锆、Al-75Nb合金、Al-10Si中间合金、Al-55W合金、Ta粉和C粉、Y粉按设计成分配料并混合压制成电极，将电极焊接后经三次真空自耗电弧熔炼制备钛合金铸锭，将钛合金铸锭表面及头部去除皮下气孔后依次进行开坯锻造、3火次高温β相区锻造以及2火次两相区锻造，得到□80mm(边长为80mm)的钛合金棒材，经1020℃/1hAC+650℃/2hAC处理后其室温抗拉强度Rm＝1150MPa，屈服强度Rp0.2＝980MPa，延伸率A＝9.5％，在650℃的抗拉强度Rm＝730MPa，屈服强度Rp0.2＝610MPa，延伸率A＝21％。
实施例4
本实施例的耐650℃高温钛合金(名义成分为Ti-6Al-2.5Sn-3Zr-0.3Nb-0.3Mo-2W-0.5Ta-0.35Si-0.08Y-0.04C-0.08O)由以下质量百分含量的成分组成：Al 6％，Zr 3％，Sn 2.5％，Nb 0.3％，Mo 0.3％，W 2％，Ta 0.5％，Si 0.35％，Y 0.08％，C 0.04％，O0.08％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例的耐650℃高温钛合金的制备过程为：将0级海绵钛、铝豆、Ti-80Sn合金、海绵锆、Al-75Nb合金、Al-60Mo合金、Al-10Si中间合金、Al-55W合金、Ta粉和C粉、Y粉按设计成分配料并混合压制成电极，将电极焊接后经三次真空自耗电弧熔炼制备钛合金铸锭，将钛合金铸锭表面及头部去除皮下气孔后依次进行开坯锻造、3火次高温β相区锻造以及2火次两相区锻造，得到□70mm(边长为70mm)的钛合金棒材，经1000℃/1hAC+650℃/2hAC处理后其室温抗拉强度Rm＝1130MPa，屈服强度Rp0.2＝990MPa，延伸率A＝10.5％，在650℃的抗拉强度Rm＝700MPa，屈服强度Rp0.2＝595MPa，延伸率A＝25％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种耐650℃高温钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：Al 6.5%，Sn 4.5%，Zr 4.5%，Nb 0.8%，Ta 0.8%，W 2.5%， Si 0.3%，Y 0.1%，C和O总计0.1%且C不低于0.03%，O不超过0.09%，余量为Ti和不可避免的杂质。
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