CN101074464A - 复合强化耐热钛合金 - Google Patents

Abstract

一种复合强化耐热钛合金，属于稀有金属技术领域。本发明各组分重量百分比含量为：Al 3％－8％；Sn 1％－6％；Zr 1％－6％；Mo 0.5％－2％；Nb 0.5％－1.5％；Si 0.1％－0.8％；La 0.3％－1％；B 0.1％－0.5％；Ti为余量。本发明一方面净化钛合金，另一方面提高钛合金的耐热性能。本发明提供的钛合金在650－700℃下仍保持良好的高温强度、抗蠕变、热稳定等综合性能，有望在航天、航空的耐高温领域获得应用。

Description

复合强化耐热钛合金

技术领域

本发明涉及的是一种金属材料技术领域的钛合金，具体是一种复合强化耐热钛合金。

背景技术

高温钛合金主要用于航天、航空等要求耐高温的领域。如航空发动机对高温钛合金的要求苛刻，它要求材料具有良好的室温性能、高温强度、蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等的匹配。发动机性能的提高很大程度上取决于材料高温性能的提高，发动机设计工程师对高温钛合金性能的要求也越来越高。IMI834(英国)、Ti-1100(美国)、BT36(俄罗斯)等合金已作为600℃钛合金应用于航空航天领域，我国在此方面也颇有建树，研制获得了600℃使用的Ti60、Ti600和阻燃钛合金Ti40。

经文献检索发现，毛小南等人在《稀有金属材料与工程》，2004年6月，第33卷第6期，620-623，撰文“TP_650颗粒增强钛基复合材料的性能与组织特征”，TP650合金有望成为650℃钛合金，具有易加工、低成本、稳定的界面、耐热耐蚀、耐磨等特点，但其700℃的强度仅相当于IMI834和Ti1100在650℃的强度，其耐热温度无法进一步提高。目前700℃用钛材的典型代表是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。然而，与国外获得实际应用的600℃高温钛合金比较，国内600℃高温钛合金综合性能与国外尚存在差距，并不能满足国家航天、航空领域的需求。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，而通常采用通过提高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Ti₃X的析出，从而降低合金的热稳定性。应控制合金元素的种类和含量，避免出现热稳定性的恶化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合强化耐热钛合金。采用真空自耗熔炼技术，合成含有TiB增强相的钛合金，并加入稀土La元素，吸收合金中的氧元素，同时生成氧化物强化合金。本发明的复合强化耐热钛合金最高使用温度可达700℃。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明各组分重量百分比含量为：Al3％-8％；Sn 1％-6％；Zr 1％-6％；Mo 0.5％-2％；Nb 0.5％-1.5％；Si 0.1％-0.8％；La 0.3％-1％；B 0.1％-0.5％；Ti为余量。

所述的Al，其优选范围是：4％-7％；所述的Sn，其优选范围是：3％-5％；所述的Zr，其优选范围是：3％-5％；所述的Mo，其优选范围是：0.6％-1.5％；所述的Nb，其优选范围是：0.5％-1％；所述的Si，其优选范围是：0.3％-0.6％；所述的La，其优选范围是：0.4％-0.9％；所述的B，其优选范围是：0.15％-0.4％。

本发明各个元素都是在原料制备过程中加入的，除Al、Zr、Si外，其余各合金元素均以中间合金或化合物的形式加入原料中，具体如下：Nb以AlNb中间合金的方式加入，其含Nb量(重量百分比)为40％-65％；Mo以AlMo中间合金的方式加入，其含Mo量(重量百分比)为40％-65％；Sn以TiSn中间合金的方式加入，其含Sn量(重量百分比)为50％-80％；La和B以两者之间的化合物形式加入，其含La量(重量百分比)为67％-76％。本发明提供的钛合金是通过真空自耗电弧炉熔炼进行制备，为了保证化学成份的均匀性，制备过程中至少采用了两次熔炼，一般采用三次熔炼。材料具体制备方法如下：首先按比例称取海绵钛(一级)、镧硼化合物、合金元素以及各中间合金，将其混合均匀；接着利用压机将混合均匀的原料压制成电极棒；然后将电极放入真空自耗电弧炉中进行一次熔炼，获得一次锭；再将两个一次锭用氩弧焊机焊接或炉内焊接后，放入自耗电弧炉进行二次熔炼，获得二次锭；同两次熔炼工序进行三次熔炼。熔炼过程中发生的化学反应为：12Ti+2LaB₆+3[O]＝12TiB+La₂O₃。表面车光后的二次锭或三次锭经1100-1150℃自由锻造开坯，再在960-1010℃进行二次热加工，开坯及二次加工的变形量最好都控制在75％以上，得到可进行热处理的材料。优选的热处理工艺为1100℃、1小时、空冷的固溶处理和650℃、2小时、空冷的时效处理。推荐热处理制度后的合金以层状的组织为主，在基体中生成了针状的陶瓷相，为TiB，还生成了细小的La₂O₃颗粒。此外，还发现针状的TiB沿着加工方向形成了一定的排布。

本发明提供的钛合金在650-700℃下仍保持良好的高温强度、抗蠕变、热稳定等综合性能，可应用于航天、航空的耐高温领域。

本发明在650-700℃下仍然保持有良好的高温拉伸、抗蠕变、热稳定等综合性能，且本合金室温塑性良好，在1100-1150℃变形抗力较小，易于加工。本发明提供的钛合金，为新一代航空发动机提供理想的压气机盘和叶片材料。

附图说明

图1为实例1制备的复合强化耐热钛合金与Ti1100、IMI834、TP650合金高温拉伸强度随时间的变化关系示意图。

图2为实例1制备的复合强化耐热钛合金与IMI834合金的稳态蠕变速率和初始应力关系对比示意图。

图3为实例1制备的复合强化耐热钛合金与IMI834合金的持久寿命和初始应力关系对比示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

按质量百分比称取一级海绵钛(79.8％)、LaB_x(其中La的质量百分比70％)化合物(0.7％)、AlNb(Nb的质量百分比53％)中间合金粉末(1.6％)、铝粉(4.2％)、AlMo(Al和Mo的质量百分比50％)中间合金粉末(2.0％)、TiSn(Sn的质量百分比65％)中间合金粉末(6.9％)、海绵锆(4.5％)、结晶硅(0.3％)，制备质量百分比为Al6％-Sn4.5％-Zr4.5％-Mo1％-Nb0.9％-Si0.3％-La0.5％-B0.2％的复合强化耐热钛合金。将混合均匀的原料压制成电极棒；然后将电极放入真空自耗电弧炉中进行一次熔炼，获得一次锭；再将两个一次锭用氩弧焊机或炉内焊接后，放入自耗电弧炉进行二次熔炼，获得二次锭；第三次熔炼处理工艺与二次熔炼相同。表面车光后的三次锭经1100~1150℃自由锻造开坯得到圆棒，再在960～1010℃进行二次热加工，开坯及二次加工的变形量都在75％以上，得到可进行热处理的材料。采用推荐的热处理工艺：1100℃、1小时、空冷的固溶处理+650℃、2小时、空冷的时效处理，即可制得TiB和La₂O₃强化的耐热钛合金。该合金增强相细小且分布均匀，室温拉伸性能、高温拉伸性能、蠕变性能和热稳定性能明显优于IMI834、Ti1100和TP650合金，下面分别列出四种合金各种性能数据，如表1-表4所示，其中σ_b为抗拉强度，σ_0.2为规定非比例屈服强度，δ为延伸率。其余性能参见图1-图3所示。

              表1室温拉伸性能

合金	σb(MPa)	σ0.2(MPa)	δ(％)
				IMI834	1070	960	11
Ti1100	960	860	11
				Ti60	1100	1030	11
Ti600	1068	1050	11
				TP650	1330	1280	5~8
本合金	1100	1060	11

                 表2高温拉伸性能

合金	试验温度	σb(MPa)	σ0.2(MPa)	δ(％)
					IMI834	600	680	550	15
Ti1100	600	630	530	14
					Ti60	600	700	580	14
Ti600	600	745	615	16
					TP650	650	710	585	24
本合金	600	830	725	16
					650	780	680	20
	700	730	635	30

                       表3蠕变、持久性能

合金	试验温度	试验应力(MPa)	时间(小时)	残余变形(％)	持久强度σ100h(MPa)
						IMI834	600	150	100	0.1	340
Ti1100	600	150	100	0.1	300
						Ti60	600	150	100	0.1	350
Ti600	600	150	100	0.03	-
						本合金	600	150	100	0.07	370
650	150	100	0.6	210
					700		100	100	0.7	150

                       表4热稳定性能

合金	热暴露温度(℃)	热暴露时间(小时)	热暴露后室温拉伸性能
						σb(MPa)	σ0.2(MPa)	δ(％)
			IMI834	600	100				1068	950	8.7

本合金	600	100	1141	1055	8.0
						650	100	1141	1060	6.3
	700	100	1132	1048	10

实施例2

按质量百分比称取一级海绵钛(85.05％)、LaB₄(La的质量百分比76％)化合物(0.65％)、AlNb(Nb的质量百分比40％)中间合金粉末(1.25％)、铝粉(2.35％)、AlMo(Mo的质量百分比40％)中间合金粉末(1.5％)、TiSn(Sn的质量百分比50％)中间合金粉末(6％)、海绵锆(3％)、结晶硅(0.2％)，制备质量百分比为Al4％-Sn3％-Zr3％-Mo0.6％-Nb0.5％-Si0.2％-La0.4％-B0.15％的复合强化耐热钛合金。按照实施例1相同的三次熔炼工艺和热加工工艺，得到可进行热处理的棒材。采用推荐的热处理工艺：1100℃、1小时、空冷的固溶处理+650℃、2小时、空冷的时效处理，制得的耐热钛合金的综合性能与实施例1相近，室温塑性和热稳定性稍好，而强度和持久蠕变性能稍差。

实施例3

按质量百分比称取一级海绵钛(77.35％)、LaB₆(La的质量百分比67％)化合物(1.3％)、AlNb(Nb的质量百分比65％)中间合金粉末(1.5％)、铝粉(5.7％)、AlMo(Mo的质量百分比65％)中间合金粉末(2.3％)、TiSn(Sn的质量百分比80％)中间合金粉末(6.25％)、海绵锆(5％)、结晶硅(0.6％)，制备质量百分比为Al7％-Sn5％-Zr5％-Mo1.5％-Nb1％-Si0.6％-La0.9％-B0.4％的复合强化耐热钛合金。按照实施例1相同的三次熔炼工艺和热加工工艺，得到可进行热处理的棒材。采用推荐的热处理工艺：1100℃、1小时、空冷的固溶处理+650℃、2小时、空冷的时效处理，制得的耐热钛合金的综合性能与实施例1相近，强度和持久蠕变性能稍好，而室温塑性和热稳定性稍差。

实施例4

按质量百分比称取一级海绵钛(92.5％)、LaB₄(La的质量百分比76％)化合物(0.4％)、AlNb(Nb的质量百分比40％)中间合金粉末(1.25％)、铝粉(1.5％)、AlMo(Mo的质量百分比40％)中间合金粉末(1.25％)、TiSn(Sn的质量百分比50％)中间合金粉末(2％)、海绵锆(1％)、结晶硅(0.1％)，制备质量百分比为Al3％-Sn1％-Zr1％-Mo0.5％-Nb0.5％-Si0.1％-La0.3％-B0.1％的复合强化耐热钛合金。按照实施例1相同的三次熔炼工艺和热加工工艺，得到可进行热处理的棒材。该材料增强相含量和合金元素含量相对较低，相变点也较低，采用以下热处理工艺：1050℃、1小时、空冷的固溶处理+650℃、2小时、空冷的时效处理，制得的耐热钛合金增强相极为细小且分布均匀，具有更优异的室温塑性和热稳定性，可适当延长时效处理的时间，以提高其强度和抗蠕变性能。

实施例5

按质量百分比称取一级海绵钛(72.7％)、LaB₆(La的质量百分比67％)化合物(1.5％)、AlNb(Nb的质量百分比65％)中间合金粉末(2.3％)、铝粉(6.1％)、AlMo(Mo的质量百分比65％)中间合金粉末(3.1％)、TiSn(Sn的质量百分比80％)中间合金粉末(7.5％)、海绵锆(6％)、结晶硅(0.8％)，制备质量百分比为Al8％-Sn6％-Zr6％-Mo2％-Nb1.5％-Si0.8％-La1％-B0.5％的复合强化耐热钛合金。按照实施例1相同的三次熔炼工艺和热加工工艺，得到可进行热处理的棒材。该材料增强相含量和合金元素含量相对较高，相变点也较高，采用以下热处理工艺：1125℃、1小时、空冷的固溶处理+600℃、1小时、空冷的时效处理，制得的耐热钛合金增强相分布均匀，室温强度得到显著提高，且有较好的抗蠕变性能。应严格控制时效处理的时间，避免室温塑性和热稳定性的恶化。

Claims (9)

1.一种复合强化耐热钛合金，其特征在于，各组分重量百分比含量为：Al3％-8％；Sn 1％-6％；Zr 1％-6％；Mo 0.5％-2％；Nb 0.5％-1.5％；Si 0.1％-0.8％；La 0.3％-1％；B 0.1％-0.5％；Ti为余量。

2.如权利要求1所述的复合强化耐热钛合金，其特征是，所述的Al，其重量百分比含量是：4％-7％。

3.如权利要求1所述的复合强化耐热钛合金，其特征是，所述的Sn，其重量百分比含量是：3％-5％。

4.如权利要求1所述的复合强化耐热钛合金，其特征是，所述的Zr，其重量百分比含量是：3％-5％。

5.如权利要求1所述的复合强化耐热钛合金，其特征是，所述的Mo，其重量百分比含量是：0.6％-1.5％。

6.如权利要求1所述的复合强化耐热钛合金，其特征是，所述的Nb，其重量百分比含量是：0.5％-1％。

7.如权利要求1所述的复合强化耐热钛合金，其特征是，所述的Si，其重量百分比含量是：0.3％-0.6％。

8.如权利要求1所述的复合强化耐热钛合金，其特征是，所述的La，其重量百分比含量是：0.4％-0.9％。

9.如权利要求1所述的复合强化耐热钛合金，其特征是，所述的B，其重量百分比含量是：0.15％-0.4％。

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