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一种适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于650‑750℃高温的铸造钛合金材料及其制备方法，该材料合金成分为Ti‑Al‑Zr‑Nb‑Mo‑Si，具体化学成分质量百分比为：Al：5.0%‑7.5%，Zr：3.0%‑5.5%，Nb：0.5%‑3.0%，Mo：0.2%‑2.0%，Si：0.1%‑0.6%，O≤0.15%，其余为Ti及不可避免的杂质元素；制备时，原材料选用超0A级‑0A级小颗粒海绵钛，合金元素Nb、Mo、Si以中间合金形式加入；Zr以海绵锆的形式加入；Al部分由中间合金带入，不足部分以纯铝加入；中间合金与海绵钛经配料、混料后，压制成电极；电极组焊后经熔炼制成合金铸锭，再浇铸成合金铸件，经热等静压处理，去除内部缩孔后制得成品。本发明具有良好的室温及650‑750℃高温力学性能，650‑750℃高温蠕变性能和持久性能也可满足设计需求，具有良好的铸造和焊接性能，满足航天发动机关键结构件的使用需求。

Description

一种适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于钛合金材料技术领域，涉及一种适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料及其制备方法。
背景技术
随着航空航天技术的不断发展，高超音速飞行器成为世界各国增强自身军事竞争力的主流方向。而航空用发动机作为高超音速飞行器的核心部件，其要求服役材料具有良好的室温及高温力学性能、高温持久蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等的匹配。且发动机的性能提高很大程度上取决于所用材料高温性能的提高。在此背景下，世界各国开发了多种适用于600℃的高温钛合金材料，典型的合金有俄罗斯的BT18Y和BT36、美国的Ti6242S和Ti1100、英国的IMI834，国内主要有Ti60和Ti55。但仍无法满足航空航天发动机急需650-750℃高温钛合金的需求。
目前，700℃用钛合金的典型代表是Ti3Al基金属间化合物，其特点是比强度高、比模量高和抗燃烧，但室温塑性和断裂韧性低。钛合金在600-700℃之间的热稳定性主要涉及到脆性相Ti3X（X=Al，Ge，In，Sn等）的析出，而通常采用优化合金含量来提高合金使用温度的方法将有可能引起脆性相的Ti3X析出，从而降低合金的热稳定性。因此，应该控制合金元素的种类和含量，避免出现热稳定的恶化。
发明内容
本发明的目的是要克服现有技术的不足，提供一种使用温度在650-750℃的新型高温钛合金材料；该材料具有良好的室温及650-750℃高温力学性能，650-750℃高温蠕变性能和持久性能也可满足设计需求，同时具有良好的铸造和焊接性能，从而满足航天发动机关键结构件的使用需求。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料，合金成分为Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si，具体化学成分质量百分比为：Al：5.0%-7.5%，Zr：3.0%-5.5%，Nb：0.5%-3.0%，Mo：0.2%-2.0%，Si：0.1%-0.6%，O≤0.15%，其余为Ti及不可避免的杂质元素。
其中Mo元素和Si元素在合金中的含量是相对的：当Mo含量在1.0%-2.0%时，Si含量为0.1%-0.25%；当Mo含量在0.2%-1.0%时，Si含量为0.25%-0.5%。
一种铸造钛合金材料的制备方法，用以制备所述的适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料，原材料选用超0A级-0A级小颗粒海绵钛，合金元素Nb、Mo、Si以中间合金形式加入；Zr以海绵锆的形式加入；Al部分由中间合金带入，不足部分以纯铝豆或铝箔加入；以上中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极；将电极组焊在一起，经熔炼制成合金铸锭；利用合金铸锭浇铸成合金铸件，再经热等静压处理，去除内部缩孔后，得到铸造钛合金材料成品。
组焊后的电极在真空自耗电弧炉或真空感应炉中熔炼2 ～3次，制成合金铸锭。
将合金铸锭通过真空自耗电弧铸造炉或真空感应铸造炉进行真空浇注，得到合金铸件。
所述合金铸件的热等静压处理方法是：加热温度920℃，氩气压力120MPa，保温时间2.5小时，随炉冷却至300℃以下出炉。
本发明所述的铸造钛合金材料，通过铸造和热等静压处理，室温及650-750℃拉伸强度与塑性、持久和蠕变性均能满足航天发动机高温零部件的使用要求，并且具有良好的铸造和焊接性能。
本发明具有以下效果及优势：（1）650-750℃高温性能良好，且可满足设计使用需求；（2）材料的铸造性能良好，经测试铸造流动性略低于常用铸造钛合金ZTC4；（3）材料的焊接性能良好，经1-2次补焊，可完全消除铸造缺陷。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
投料成分：实施例1和实施例2的具体投料成分如表1所示，表中为各成分的质量百分比。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
制备工艺为：原材料采用超0A级小颗粒海绵钛，合金元素Nb、Mo、Si分别以AlNb、AlMo、AlSi中间合金形式加入；Zr海绵锆的形式加入；Al部分由中间合金加入，不足部分以纯Al加入；以上中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极；将电极在真空感应炉中熔炼2次，制成合金铸锭；将合金铸锭通过真空自耗电弧炉浇注石墨附铸试棒或试板模具，最终得到附铸试棒或试板；铸造试棒或试板经过热等静压处理（加热温度920℃，氩气压力120MPa，保温时间2.5小时，随炉冷却至300℃以下出炉），去除内部缩孔。
对以上所得的试棒或试板进行力学性能测试、高温蠕变及持久性能测试、流动性测试、材料补焊性能测试。
（1）力学性能测试的结果如表2所示，测试结果表明本发明所制备的铸造钛合金材料在力学性能指标上，符合650-750℃高温条件下使用的要求。
（2）实施例1所制备的铸造钛合金材料中，取两个试棒为一组进行不同温度下的高温蠕变及持久性能测试后，其测试结果如表3所示，结果表明，利用本发明所制备的铸造钛合金能够满足航空发动机对材料的高温持久蠕变性能的要求。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）实施例2所制备的铸造钛合金材料中，取两个试棒为一组进行不同温度下的高温蠕变及持久性能测试后，其测试结果如表4所示，结果表明，利用本发明所制备的铸造钛合金能够满足航空发动机对材料的高温持久蠕变性能的要求。
Figure 848747DEST_PATH_IMAGE004
（4）实施例1、实施例2和常用的钛合金TC4分别进行流动性测试，结果如表5所示，测试表明本发明所制备的铸造钛合金材料的流动性略低于本领域常用的TC4，具有较好的铸造性能。
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（5）材料补焊性能测试：实施例1和2成分，分别浇铸附铸试板，并经热等静压+探伤处理，去除缺陷进行补焊，补焊效果如下：
实施例1中的试板经热等静压后，进行射线探伤存在5处缺陷。采用ZTi700SR专用焊丝进行补焊1次后，缺陷完全去除。
实施例2中的试板经热等静压后，进行射线探伤存在3处缺陷。采用ZTi700SR专用焊丝进行补焊1次后，仍剩1处缺陷，为焊缝裂纹，经2次补焊后，缺陷完全去除。
可见，本发明所制备材料的焊接性能良好，经1-2次补焊，可完全消除铸造缺陷。
样件制备情况：利用实施例1和2成分制备铸造钛合金材料，并分别浇铸圆筒形样件，经热等静压喷砂处理后，实施例1和2材料浇铸铸件内外表面质量均良好，均无肉眼可见明显裂纹，均有少量的流痕和冷隔存在，铸件浇铸质量可控。
本发明所述的适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料的其他实施例如下：
（1）合金成分质量百分比为：Al：5.0%，Zr：3.0%，Nb：0.5%，Mo：1.0%-2.0%，Si：0.1%-0.25%，O≤0.15%，其余为Ti及不可避免的杂质元素。
（2）合金成分质量百分比为：Al：7.5%，Zr：5.5%，Nb：3.0%，Mo：0.2%-1.0%，Si：0.25%-0.5%，O≤0.15%，其余为Ti及不可避免的杂质元素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料，其特征在于，合金成分为Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si，具体化学成分质量百分比为：Al：5.0%-7.5%，Zr：3.0%-5.5%，Nb：0.5%-3.0%，Mo：0.2%-2.0%，Si：0.1%-0.6%，O≤0.15%，其余为Ti及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料，其特征在于，其中Mo元素和Si元素在合金中的含量是相对的：当Mo含量在1.0%-2.0%时，Si含量为0.1%-0.25%；当Mo含量在0.2%-1.0%时，Si含量为0.25%-0.5%。
3.一种铸造钛合金材料的制备方法，用以制备如权利要求1所述的适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料，其特征在于，原材料选用超0A级-0A级小颗粒海绵钛，合金元素Nb、Mo、Si以中间合金形式加入；Zr以海绵锆的形式加入；Al部分由中间合金带入，不足部分以纯铝豆或铝箔加入；以上中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极；将电极组焊在一起，经熔炼制成合金铸锭；利用合金铸锭浇铸成合金铸件，再经热等静压处理，去除内部缩孔后，得到铸造钛合金材料成品。
4.根据权利要求3所述的一种铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，组焊后的电极在真空自耗电弧炉或真空感应炉中熔炼2 ～3次，制成合金铸锭。
5.根据权利要求3所述的一种铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，将合金铸锭通过真空自耗电弧铸造炉或真空感应铸造炉进行真空浇注，得到合金铸件。
6.根据权利要求3所述的一种铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述合金铸件的热等静压处理方法是：加热温度920℃，氩气压力120MPa，保温时间2.5小时，随炉冷却至300℃以下出炉。
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