CN117107112B

CN117107112B - 一种短中时高温钛合金及其制备方法

Info

Publication number: CN117107112B
Application number: CN202310986066.1A
Authority: CN
Inventors: 刘鑫旺; 姚俊卿; 王伯昊; 高妞; 施洋; 吴伟峰; 樊索
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2023-08-07
Filing date: 2023-08-07
Publication date: 2024-04-19
Anticipated expiration: 2043-08-07
Also published as: CN117107112A

Abstract

本发明提出了一种短中时用高温钛合金及其制备方法，按重量百分比计包括铝为6.6%‑7.2%；锡为2.6%‑3%；锆为4%‑5%；钼不小于4%；钨为1%‑1.6%；硅为0.1‑0.3%；碳为0.1%‑0.15%；以及余量为钛；大幅提高了钼和钨的含量，利用这两种熔点较高的β稳定元素进一步提高高温强度。称取的原材料采用真空熔铸制备Ti‑Al‑Sn‑Zr‑Mo‑W‑Si‑C铸锭/件，仅通过多元固溶强化与时效处理，就超过传统铸造高温钛合金经过热等静压后的室温及650‑700℃高温的拉伸性能。满足航天军工等领域热端材料短中时高温使用需求的同时，有效缩短了零构件制备流程。

Description

一种短中时高温钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种短中时用高温钛合金及其制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀等优点，已经在航天航空等领域中得到广泛应用。但随着飞行器飞行速度不断提高，对钛合金的工作温度和使用性能提出了更高的要求。高温钛合金亟待进一步获得突破，尤其提高其使用温度和高温性能。目前，较为成熟的长时用高温钛合金最高使用温度约600℃，典型代表为美国的Ti-1100、英国的IMI834、俄罗斯的BT36和我国的Ti600等。但600℃以上高温钛合金体系仍然存在不足。近年来发达国家都把新型高温钛合金的研制放在了十分重要的位置。我国高温钛合金起步较晚，早期主要以借鉴为主，目前我国高温钛合金逐渐走上自主研发的道路。

针对航天、军工等特殊领域，基于飞行器的工作性质，高温钛合金仅需要中短服役时间内保证其结构性能即可满足服役要求。传统高温合金为了提升其热处理能力以及室温下的力学性能，一般仅含有少量的β稳定元素，主要原因是长时间服役条件下，过多的β相会降低组织的热稳定性和高温蠕变性能。因此，传统的高温钛合金如Ti-1100和IMI834合金，β元素的总含量一般不超过2wt.%。但是对于短中时用高温钛合金，由于可以通过适当牺牲组织的热稳定性来提升合金的瞬时高温强度，所以在目前常见的短中时用高温钛合金中，允许加入更高含量的β稳定元素，如Mo、W和Nb等高熔点元素。同时，在对合金成分进行设计时，还需要综合考虑合金的铝当量[Al]eq和钼当量[Mo]eq，将[Al]eq或[Mo]eq值作为钛合金设计的重要准则。

由于钛合金锻件成本较高，而铸造是一种近净成形的方法，相对于锻造等其它冶金方法，具有很大的成本优势。同时，铸造也是空心复杂精密构件的重要成形手段。近年来，钛合金铸件生产与应用保持着强劲的发展势头。实践证明，通过铸造可以直接制造形状复杂的钛合金零部件，免去大量的机械加工工序，提高材料的利用率。一般锻件的材料利用率仅有10%-15%，而一般铸件的利用率为45%，精密铸造则可达到75%-90%，这对价格较贵的钛合金来说尤为重要。钛合金的微观组织和力学性能对热处理工艺非常敏感，可以通过进行固溶和时效等热处理工艺改变组织形态以实现提其力学性能的目的。

发明CN109763026A提出了一种Ti-A1-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb-Fe系高强度铸造用钛合金，其室温抗拉强度约1100MPa、延伸率在8%，但是并不能适用于600℃以上的高温。

发明CN111020290A提出了一种适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料，但是铸态合金即使经过了热等静压处理，室温抗拉强度最高只有925MPa。

发明CN107058801A提出了一种适用于560-650℃的铸造钛合金，其经过热等静压和固溶时效处理之后，但仅列出了600℃的拉伸性能，且室温延伸率小于6%。

发明CN106636746A提出了一种高强度高延伸率高温钛合金、发明CN106801164A和发明CN102978440A提出了一种短时高温钛合金，但是都经过了繁杂的多火次锻造和固溶时效处理。

总体来说，我国650℃及以上使用的高温钛合金仍处于研究阶段。针对以上问题，开发一种满足短中时高温用的铸造钛合金成分，并设计合适的铸造制备工艺及热处理强化手段，使得合金的室温和高温力学性能达到使用要求，非常必要。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种短中时用高温钛合金及其制备方法，用于提供满足650-700℃短中时高温性能的铸造钛合金成分以及合适的制备工艺。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种短中时用高温钛合金，按重量百分比计包括，

铝为6.6%-7.2%；

钼不小于4%；

锆为4%-5%；

锡为2.6%-3%；

钨为1%-2%；

硅为0.1-0.3%；

碳为0.1%-0.15%；

以及余量为钛。

在以上技术方案的基础上，优选的，钼按重量百分比计为4%-6%，且钼及钨按重量百分比计之和为5%-8%。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括杂质，杂质包括氮、氢及氧其中至少一种，杂质按重量百分比计不超过0.2%。

另一方面，本发明还提供了一种短中时用高温钛合金的制备方法，包括以下步骤，

步骤一，将上述的钛合金各组分原料均采用精度至0.001g的千分之一电子天平称重以保证误差可控，后将原料放入熔炼炉的水冷铜坩埚；

步骤二，关闭熔炼炉的真空室后，将真空室内抽真空，随后往其中回填高纯氩气，随后对原料进行熔炼，直到得到成分均一的钛合金熔体；

步骤三，将钛合金熔体浇注至铸型中，冷却后即可获得所需形状尺寸的铸锭或者铸件。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括步骤四，对得到的铸锭或者铸件进行热处理后获得最终产品，热处理工艺为950℃固溶2h，随即在700℃时效4h后空冷。

在以上技术方案的基础上，优选的，在步骤一中，按照熔点从低到高的原则，低熔点原料放在最下面，高熔点放在最上面，依次将原料放入熔炼炉的水冷铜坩埚中。

在以上技术方案的基础上，优选的，在步骤二中，在熔炼钛合金前，先熔炼钛锭或锆锭吸收残余空气为后续的熔铸操作提供纯净的气氛氛围。

在以上技术方案的基础上，优选的，在步骤二中，关闭熔炼炉的真空室后，将真空室内抽真空到小于0.01Pa，随后往其中回填高纯氩气至约5×10⁴Pa，重复抽真空和回填氩气的操作2次，之后再熔炼钛合金。

在以上技术方案的基础上，优选的，在步骤三中，将钛合金熔体在氩气氛围中浇注到铸型中，得到所需的铸锭或铸件。

在以上技术方案的基础上，优选的，在步骤二中，采用真空熔炼技术熔炼钛合金。

本发明的一种短中时用高温钛合金及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：

（1）本发明采用多元固溶强化与时效强化方式，添加高Al的同时显著提高Mo、W等β稳定元素从而提高高温强度；按比例添加Zr、Sn等中性元素从而起到补充强化作用；添加Si避免降低钛合金塑性；添加C增加钛合金中两相区温度范围，增大钛合金的高温加工温度窗口，通过热处理能有效提高钛合金的综合力学性能；显著提高了钼及钨的含量，利用β元素的特性能够有效提升钛合金的高温强度，从而达到短中时高温应用的目的；同时避免/减少了稀土元素以及密度较大的多种其它金属元素，避免产生复杂的析出相；最终，在保证钛合金高温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性能，使钛合金获得了良好的强度、塑性的匹配。

（2）本发明采用了多元复合强化的设计理念，使得与β稳定元素相关的Mo当量处于4.4-6.8，并仅采用铸造结合固溶时效热处理工艺，就能接近现有铸造高温钛合金经过热等静压甚至锻造后的力学性能，达到了绿色高效的目的。

（3）本发明采用真空熔炼技术来熔炼制备钛合金，本制备技术获得的适用性广、操作方便以及效率高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一高温钛合金在室温下的显微组织图；

图2为本发明实施例一高温钛合金的拉伸断口显微图，其中，（a）为室温拉伸断口；（b）为650℃拉伸断口；（c）为700℃拉伸断口；

图3为本发明实施例二高温钛合金在室温下的显微组织图；

图4为本发明实施例二高温钛合金的拉伸断口显微图，其中，（a）为室温拉伸断口；（b）为650℃拉伸断口；（c）为700℃拉伸断口；

图5为本发明实施例三高温钛合金在室温下的显微组织图；

图6为本发明实施例三高温钛合金的拉伸断口显微图，其中，（a）为室温拉伸断口；（b）为650℃拉伸断口；（c）为700℃拉伸断口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明的一种短中时用高温钛合金，按重量百分比计包括，铝Al为6.6%；钼Mo为4%；锆Zr为4%；锡Sn为2.6%；钨W为1%；硅Si为0.1%；碳C为0.1%；杂质为0.08%，以及余量为钛Ti。

本实施例相比目前常见的钛合金组合配比，有三点区别：

其一，大幅提高了钼Mo的含量。钼的熔点高，提高钼在钛合金中的含量比能够有效的提升钛合金的高温强度。本合金体系中Mo当量计算公式为：[Mo]eq=Mo+W/1.5。

其二，没有在合金中加入通常所采用的成本高昂的稀土元素。目前在钛合金中添加稀土元素的目的，就是为了改善热稳定性，但对于短中时应用的高温钛合金而言，更关注高温强度而非热稳定性。稀土元素的添加对强化作用贡献较小，且本实施例的钛合金主要是为了提高钛合金的高温性能，针对性较强，因此在组分内加入稀土元素并非必要。同时，钛合金在组分内添加稀土元素，会提高熔铸难度，且难以精确控制合金成分。

其三，相比背景技术中提及的国内外高温钛合金，本实施例在组分中去掉了铌Nb和钽Ta等元素，其原因在于它们的密度较大，会对钛合金的比强度造成不良影响。

本发明的一种短中时用高温钛合金的制备方法，包括以下步骤，

步骤一，将上述的钛合金各组分原料均采用精度至0.001g的千分之一电子天平称重以保证误差可控，然后按照熔点从低到高的原则，低熔点原料放在最下面，高熔点放在最上面，依次将原料放入熔炼炉的水冷铜坩埚中，保证原料充分融化。

步骤二，关闭熔炼炉的真空室后，将真空室内抽真空到小于0.01Pa，随后往其中回填高纯氩气到约5×10⁴Pa，重复抽真空和回填氩气的操作2次；在熔炼钛合金前，先熔炼钛锭或锆锭吸收残余空气为后续的熔铸操作提供纯净的气氛氛围；随后采用真空熔炼技术熔炼钛合金，对原料进行熔炼，直到得到成分均一的钛合金锭。

步骤三，将钛合金锭在氩气氛围下浇注到铸型中，冷却后即可获得所需尺寸的铸锭或者铸件。在本实施例中为了方便进行测试，得到了圆柱形金属铸锭。

步骤四，对得到的铸锭或者铸件进行固溶时效强化热处理后获得最终产品，热处理工艺为950℃固溶2h后，随即在700℃时效4h后空冷。

实施例二

本发明的一种钛合金，按重量百分比计包括，铝Al为6.9%；钼Mo为5%；锆Zr为4.5%；锡Sn为2.8%；钨W为1.5%；硅Si为0.15%；碳C为0.12%；杂质为0.08%，以及余量为钛Ti。

实施例三

本发明的一种钛合金，按重量百分比计包括，铝Al为7.2%；钼Mo为6%；锆Zr为5%；锡Sn为3%；钨W为2%；硅Si为0.3%；碳C为0.15%；杂质为0.08%，以及余量为钛Ti。

以实施例一至三的组分配比，采用实施例一的制备方法，以对三个实施例获得的最终产品进行检测，检测方法按照国标GB/T228-2002，GB/T4338-2006方法进行室温拉伸及高温拉伸，获取了下表1的关于钛合金室温及高温拉伸性能对比表。

表1

可以发现，经过固溶时效热处理后的室温抗拉强度R_m≥1100MPa，屈服强度R_p0.2≥990MPa，延伸率A≥7%；650℃时抗拉强度R_m≥560MPa，屈服强度R_p0.2≥460MPa，延伸率A≥10%；700℃时抗拉强度R_m≥460MPa，屈服强度R_p0.2≥370MPa，延伸率A≥10.5%。因此对于高温钛合金后续加工服役至关重要的强度和塑性，本发明的高温钛合金成分具有优异的强塑性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种短中时用高温钛合金的制备方法，其特征在于：短中时用高温钛合金按重量百分比计包括，

铝为6.6%-7.2%；

钼为4%-6%；

锆为4%-5%；

锡为2.6%-3%；

钨为1%-2%；

硅为0.1-0.3%；

碳为0.1%-0.15%；

以及余量为钛，所述钼及钨按重量百分比计之和为5%-8%；其中，本合金体系中Mo当量为4.4-6.8，Mo当量计算公式为，[Mo]eq=Mo+W/1.5；

其中，短中时用高温钛合金经过固溶时效热处理后的室温抗拉强度R_m≥1100MPa，屈服强度R_p0.2≥990MPa，延伸率A≥7%；650℃时抗拉强度R_m≥560MPa，屈服强度R_p0.2≥460MPa，延伸率A≥10%；700℃时抗拉强度R_m≥460MPa，屈服强度R_p0.2≥370MPa，延伸率A≥10.5%；

包括以下步骤，

步骤一，将上述的钛合金各组分原料均采用精度至0.001g的千分之一电子天平称重以保证误差可控，后将原料按照熔点从低到高的顺序放入熔炼炉的水冷铜坩埚；

步骤二，关闭熔炼炉的真空室后，将真空室内抽真空，随后往其中回填高纯氩气，随后对原料进行真空熔炼，整个熔炼过程在电磁场搅拌的条件下完成，直到得到成分均一的钛合金熔体；

步骤三，在真空环境中将所述钛合金熔体浇注到铸型中，冷却后即可获得所需尺寸的铸锭或者铸件；

步骤四，对得到的铸锭或者铸件进行真空热处理后获得最终产品，热处理工艺为950℃固溶2h后并随即在700℃时效4h后空冷。

2.根据权利要求1所述的一种短中时用高温钛合金的制备方法，其特征在于：还包括杂质，所述杂质包括氮、氢及氧其中至少一种，所述杂质按重量百分比计不超过0.2%。

3.根据权利要求1所述的一种短中时用高温钛合金的制备方法，其特征在于：在所述步骤一中，按照熔点从低到高的原则，低熔点原料放在最下面，高熔点放在最上面，依次将原料放入熔炼炉的水冷铜坩埚中。

4.根据权利要求1所述的一种短中时用高温钛合金的制备方法，其特征在于：在所述步骤二中，在熔炼钛合金前，先熔炼钛锭或锆锭吸收炉中残留空气。

5.根据权利要求1所述的一种短中时用高温钛合金的制备方法，其特征在于：在所述步骤二中，关闭熔炼炉的真空室后，将真空室内抽真空到小于0.01Pa，随后往其中回填高纯氩气到约5×10⁴Pa，重复抽真空和回填氩气的操作2次，之后再熔炼钛合金。

6.根据权利要求1所述的一种短中时用高温钛合金的制备方法，其特征在于：在所述步骤二中，采用真空熔炼技术熔炼钛合金。

7.根据权利要求1所述的一种短中时用高温钛合金的制备方法，其特征在于：在所述步骤三中，将所述钛合金锭在氩气中浇注到铸型中，得到所需的铸锭或铸件。