CN110923589B - 一种用于700~750℃的短纤维增强高温钛合金Ti-101AM - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种用于700~750℃的短纤维增强高温钛合金Ti‑101AM,其合金组分以质量百分比计为:Al 5.0~7.0%,Sn 1.5~4.5%,Zr 2.0~4.5%,Mo 0.1~1.0%,Si 0.1~0.6%,Nb 0.1~0.8%,Ta 0.1~1.8%,C≤0.08,B 0.1~1.2%,Fe<0.3%,O<0.15%,N<0.05%,H<0.012%,余量为Ti和不可避免的杂质。本发明通过添加适量B元素实现TiB晶须短纤维强化,同时调控Al、Mo、Si、Nb、Ta等元素含量,在显著提高强度水平的同时兼顾塑性、韧性、高温抗氧化性等。所述合金适用于锻造、熔模精密铸造、粉末冶金、激光粉末增材制造等成形方法。
Description
技术领域
本发明属于钛合金技术领域,具体涉及到一种短纤维增强的高温钛合金。
背景技术
高温钛合金主要应用于航空航天发动机和飞行器高温承力构件,其特点是高温蠕变持久性能优异,目前,可在600℃长时使用的高温钛合金主要有英国的IMI834、美国的Ti1100、俄罗斯的BT36、我国的Ti60(国标牌号TA33),新型研发的Ti65合金(专利号ZL201410195990.9)长时使用温度可达650℃。为满足航空航天发动机和飞行器的发展要求,其高温结构件的使用温度不断提高,现有的高温钛合金将很难满足性能要求,急需研发短时使用温度和强度更高的新型高温钛合金。
现有的600℃以上高温钛合金均为近α型钛合金,采用固溶强化与第二相弥散强化相结合的方式保证其高温强度和蠕变持久性能,并在成分设计上保证其在高温下的抗氧化性,ZL200710011771.0和ZL201410195990.9发明的高温钛合金均通过控制硅化物和α2相提高其热强性,且都添加适量的Nb和Ta、并控制Mo元素含量以提高合金的抗氧化性。若要再提高其使用温度和高温强度,必须引入新的强化方式。研究表明,钛合金中添加B元素可显著细化铸造组织,也有利于在后续的热变形过程中控制晶粒尺寸,实现细晶强化;B元素在钛合金中主要以TiB晶须的形式析出,通过控制适当的B元素含量和加工工艺,可使TiB晶须在晶界钉扎,起到纤维增强的作用。在添加B的同时必须合理控制Al、Si、Mo、Nb、Ta等元素的含量,以综合利用固溶强化、第二相强化、纤维增强等强化机制,获得理想的强塑性匹配。然而,目前尚未有通过采用TiB纤维增强的方式将高温钛合金使用温度提高到750℃的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于700~750℃的高温钛合金,通过添加适量B元素实现TiB晶须短纤维强化,同时调控Al、Mo、Si、Nb、Ta等元素含量,在显著提高强度水平的同时兼顾塑性、韧性、高温抗氧化性等。该合金适用于锻造、熔模精密铸造、粉末冶金、激光粉末增材制造等成形方法。
采用的技术方案是:
一种用于700~750℃的短纤维增强高温钛合金Ti-101AM,其特征在于,其合金组分以质量百分比计为:Al 5.0~7.0%,Sn 1.5~4.5%,Zr 2.0~4.5%,Mo 0.1~1.0%,Si0.1~0.6%,Nb 0.1~0.8%,Ta 0.1~1.8%,C≤0.08,B 0.1~1.2%,Fe<0.3%,O<0.15%,N<0.05%,H<0.012%,余量为Ti和不可避免的杂质。
该合金冶炼工艺如下:
原材料采用海绵Ti、海绵Zr、纯Al、Ti-Sn中间合金、Al-Mo中间合金、Al-Si中间合金、Al-Nb中间合金、Ti-Ta中间合金、TiB2粉、C粉、TiO2粉,依据合金成分配料、混料,用液压设备压制电极,将电极组焊,经2~3次真空自耗熔炼,制成合金铸锭。
其铸件、粉末冶金成形件、粉末增材制造成形件的热等静压工艺为:(920~940)℃/(120~140)MPa/(2~3)h/炉冷。
其锻件采用固溶时效热处理,具体工艺为:Tβ-(10~40)℃/2h/空冷或风冷或油淬+(600~750)℃/5h/空冷。
本发明所述合金为基于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系的近α型高温钛合金,添加B元素可析出TiB晶须实现短纤维增强,同时具有细化晶粒实现细晶强化的作用,随B含量的增加其强化效果增强,但过高的B含量会导致合金塑性明显下降,控制其质量分数不超过1.2%。
B和Al、Mo、Si、Nb、Ta等元素起到不同的强化效果,可根据具体的要求进行搭配,获得最优的强塑性匹配。Al是最主要的α稳定元素,超过其在α相中的溶解极限后析出α2相,可显著提高合金的高温强度和持久蠕变性能,但过多的α2相会使合金变脆,结合TiB晶须的短纤维增强效果,控制Al的质量分数不超过7%;Si是高温钛合金中重要的强化元素,可形成(Ti、Zr、Sn)5Si3或(Ti、Zr、Sn)6Si3硅化物,可显著提高合金的高温强度和持久蠕变性能,但过量的Si会导致合金塑性下降,因此控制其质量分数不超过0.6%;Mo是主要的β稳定元素,能提高合金的加工性能,同时有利于合金的热稳定性,但过高的Mo元素含量导致合金抗氧化性降低,近α高温钛合金中一般控制其质量分数低于1.0%;Nb和Ta是同晶β稳定元素,可促使合金表面氧化层更加致密均匀细小,增加氧化膜与基体界面的粘附性,明显提高高温钛合金的高温抗氧化性能,因此控制Nb质量分数为0.1~0.8%,Ta为0.1~1.8%。
本发明与现有的高温钛合金相比具有以下优点:
一、该合金具有良好的成形性,可以采用熔模精密铸造、锻造、粉末冶金、激光粉末增材制造等方法成形。
二、引入TiB短纤维增强机制,并配合Al、Si、Mo、Nb、Ta等元素,合金可在700~750℃使用,相比未添加B元素的合金成分强度和使用温度显著提高。
其铸件、粉末冶金成形件和粉末增材制造成形件经(920~940)℃/(120~140)MPa/(2~3)h/炉冷热等静压处理后,室温屈服强度不低于960MPa,抗拉强度不低于1060MPa,延伸率不低于5%;700℃屈服强度不低于450MPa,抗拉强度不低于580MPa,延伸率不低于10%;750℃屈服强度不低于380MPa,抗拉强度不低于470MPa,延伸率不低于10%。
其锻件和经Tβ-(10~40)℃/2h/空冷或风冷或油淬+(600~750)℃/5h/空冷热处理后,室温屈服强度不低于1060MPa,抗拉强度不低于1160MPa,延伸率不低于5%;700℃屈服强度不低于470MPa,抗拉强度不低于600MPa,延伸率不低于12%;750℃屈服强度不低于400MPa,抗拉强度不低于490MPa,延伸率不低于12%。
具体实施方式
对比例和实施例的合金铸锭制备方法为:
将海绵Ti、海绵Zr、纯Al、Ti-Sn中间合金、Al-Mo中间合金、Al-Si中间合金、Al-Nb中间合金、Ti-Ta中间合金、C粉粉配料,混合均匀后压制成电极,电极焊接后,经2~3次真空自耗熔炼获得合金铸锭。各合金铸锭的主要化学成分如表1所示。
表1合金成分(wt.%)
合金 | Al | Sn | Zr | Mo | Si | Nb | Ta | C | B | Fe | O | N | H |
1# | 5.87 | 4.02 | 3.5 | 0.68 | 0.32 | 0.44 | 0.46 | 0.06 | 0.015 | 0.07 | 0.012 | 0.003 | |
2# | 5.85 | 3.94 | 3.42 | 0.7 | 0.37 | 0.41 | 0.43 | 0.05 | 0.65 | 0.018 | 0.09 | 0.01 | 0.003 |
3# | 5.5 | 2.8 | 2.75 | 0.77 | 0.58 | 0.18 | 1.2 | 0.02 | 1.08 | 0.011 | 0.1 | 0.01 | 0.002 |
4# | 6.5 | 2.55 | 2.35 | 0.15 | 0.18 | 0.15 | 0.16 | 0.06 | 0.88 | 0.012 | 0.09 | 0.008 | 0.003 |
对比例1
1#合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇铸,所用型壳为陶瓷型,冷却脱模后,铸件在930℃、130MPa下热等静压2.5h后随炉冷却。
实施例1:
2#合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇铸,所用型壳为陶瓷型,冷却脱模后,铸件在930℃、130MPa下热等静压2.5h后随炉冷却。
实施例2:
3#合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇铸,所用型壳为陶瓷型,冷却脱模后,铸件在920℃、140MPa下热等静压3h后随炉冷却。
实施例3:
4#合金铸锭在真空自耗电极凝壳炉中熔化后浇铸,所用型壳为陶瓷型,冷却脱模后,铸件在940℃、140MPa下热等静压2.5h后随炉冷却。
不同合金铸件力学性能对比如表1所示:
表1对比例1与实施例1-3力学性能对比
对比例2:
1#合金铸锭经β单相区开坯,并在α+β两相区锻造成直径70mm棒材,经1015℃保温2h后油淬,然后经700℃保温5h后空冷。
实施例4:
2#合金铸锭经β单相区开坯,并在α+β两相区锻造成直径70mm棒材,经1025℃保温2h后油淬,然后经700℃保温4h后空冷。
实施例5:
3#合金铸锭经β单相区开坯,并在α+β两相区锻造成直径45mm棒材,经1015℃保温1.5h后油淬,然后经700℃保温3.5h后空冷。
实施例6:
4#合金铸锭经β单相区开坯,并在α+β两相区锻造成直径90mm棒材,经1015℃保温2h后油淬,然后经700℃保温5h后空冷.
不同合金锻造棒材力学性能对比如表2所示:
表2对比例2与实施例4-6拉伸性能对比
对比例3:
1#合金铸锭于β单相区开坯,锻造成棒材,然后采用无坩埚感应熔化气雾化制粉,采用激光选区熔化增材制造技术制备板状试样,试样经930℃/130MPa/2.5h/炉冷热等静压处理。
实施例7:
2#合金铸锭于β单相区开坯,锻造成棒材,然后采用无坩埚感应熔化气雾化制粉,采用激光选区熔化增材制造技术制备板状试样,试样经930℃/130MPa/2.5h/炉冷热等静压处理。
实施例8:
3#合金铸锭于β单相区开坯,锻造成棒材,然后采用无坩埚感应熔化气雾化制粉,采用激光选区熔化增材制造技术制备板状试样,试样经920℃/140MPa/3h/炉冷热等静压处理。
实施例9:
4#合金铸锭于β单相区开坯,锻造成棒材,然后采用无坩埚感应熔化气雾化制粉,采用激光选区熔化增材制造技术制备板状试样,试样经940℃/130MPa/2.5h/炉冷热等静压处理。
不同合金激光选区熔化增材制造试样力学性能对比如表3所示:
表3对比例3与实施例7-9拉伸性能对比
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于700~750℃的短纤维增强高温钛合金Ti-101AM,其特征在于,其合金组分以质量百分比计为:Al 5.5~6.5%,Sn 2.55~4.5%,Zr 2.35~4.5%,Mo 0.15~1.0%,Si 0.1~0.6%,Nb 0.15~0.8%,Ta 0.16~1.8%,C≤0.08,B 0.1~1.2%,Fe<0.3%,O<0.15%,N<0.05%,H<0.012%,余量为Ti和不可避免的杂质;
采用热等静压工艺制备高温钛合金铸件、粉末冶金成形件、粉末增材制造成形件 ,具体工艺参数为:920℃~940℃、120MPa~140MPa下保温2~3h,炉冷;经热等静压处理后的铸件、粉末冶金成形件、粉末增材制造成形件,700℃屈服强度不低于450MPa,抗拉强度不低于580MPa,延伸率不低于10%;750℃屈服强度不低于380MPa,抗拉强度不低于470MPa,延伸率不低于10%。
2.一种用于700~750℃的短纤维增强高温钛合金Ti-101AM,其特征在于,其合金组分以质量百分比计为:Al 5.5~6.5%,Sn 2.55~4.5%,Zr 2.35~4.5%,Mo 0.15~1.0%,Si 0.1~0.6%,Nb 0.15~0.8%,Ta 0.16~1.8%,C≤0.08,B 0.1~1.2%,Fe<0.3%,O<0.15%,N<0.05%,H<0.012%,余量为Ti和不可避免的杂质;
高温钛合金锻件采用固溶时效热处理,具体工艺为:Tβ-(10~40)℃/2h/空冷或风冷或油淬+(600~750)℃/5h/空冷;锻件经固溶时效热处理后,700℃屈服强度不低于470MPa,抗拉强度不低于600MPa,延伸率不低于12%;750℃屈服强度不低于400MPa,抗拉强度不低于490MPa,延伸率不低于12%。
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-
2019
- 2019-11-26 CN CN201911172140.6A patent/CN110923589B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Mechanical behavior of damage tolerant TiB whisker-reinforced in situ titanium matrix composites;W.O.Soboyejo et al.;《Acta metall. mater.》;19941231;第42卷(第8期);第2579-2591页 * |
Also Published As
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