CN102251145B - 一种1100MPa 级热强钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1100MPa级热强钛合金及其制备方法，该合金按照质量百分比，包含组分为：Al：5.8-7.2％；Mo：2.8-3.8％；Nb：1.6-2.5％；Zr：1.6-2.5％；Si：0.20-0.30％；其余为Ti。其制备方法包括有配料及电极压制、电极制备、制备一次锭、制备二次锭、制备铸锭、冷却出炉等。采用本发明的钛合金所制备的钛合金零件室温强度、高温强度等性能明显高于目前使用的TC11热强钛合金，同时采用本发明的钛合金零件塑性、冲击等性能与TC11热强钛合金在一个数量级别。并且，在保证性能优异的同时，本发明的钛合金制备方法简单，容易操作。

Description

一种1100MPa 级热强钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于钛合金制造领域，涉及一种钛合金，尤其是一种1100MPa级热强钛合金及其制备方法。 
背景技术
钛合金作为一种轻金属合金材料，具有高比强度、高比模量、高韧性、耐腐蚀等一系列优点，广泛应用于飞机机体结构件及其航空发动机的生产制造，且随着航空航天器设计技术的发展，对高性能钛合金的需求量也越来越大，航空航天飞行器中钛合金的用量已经成为衡量其先进程度的重要标志之一。 
热强钛合金主要用于航空发动机中，对室温及高温强度有苛刻的要求。目前，我国大量使用的热强钛合金主要为TC11钛合金，其主要性能指标见表1。 
表1-1、TC11钛合金零件室温力学性能指标 
Figure BDA0000073601050000011
表1-2、TC11钛合金零件高温力学性能指标 
Figure BDA0000073601050000012
然而，随着发动机高推比的发展需求，要求热强钛合金的室温抗拉强度σb≥1100MPa、500℃高温抗拉强度σb≥780MPa，TC11钛合金已难以满足设计及制造需求，限制了钛合金在航空发动机中的使用比例，急需发展新型热强钛合金。 
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种1100MPa级热强钛合金及其制备方法，其是一种能够满足航空发动机500℃高温环境条件下使用的1100MPa级热强钛合金。 
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的： 
这种1100MPa级热强钛合金，按照质量百分比，包含以下组分： 
Al：5.8-7.2％；Mo：2.8-3.8％；Nb：1.6-2.5％；Zr：1.6-2.5％；Si：0.20-0.30％；其余为Ti。 
本发明提出一种上述1100MPa级热强钛合金的制备方法，包括以下步骤： 
1)按照组分含量进行混料，使用压力机及模具压制为电极块； 
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极； 
3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭； 
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭； 
5)将二次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次 熔炼，获得铸锭； 
6)将铸锭冷却到200℃以下出炉。 
以上步骤3)中，熔炼电流5～12KA，熔炼电压控制在26～45V。步骤4)中，熔炼电流6～15KA，熔炼电压控制在26～45V。步骤5)中，熔炼电流6～20KA，熔炼电压控制在26～45V。 
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果： 
采用本发明的钛合金所制备的钛合金零件室温强度、高温强度等性能明显高于目前使用的TC11热强钛合金，同时采用本发明的钛合金零件塑性、冲击等性能与TC11热强钛合金在一个数量级别。并且，在保证性能优异的同时，本发明的钛合金制备方法简单，容易操作。 
具体实施方式
本发明的1100MPa级热强钛合金按照质量百分比，包含以下组分：Al：5.8-7.2％；Mo：2.8-3.8％；Nb：1.6-2.5％；Zr：1.6-2.5％；Si：0.20-0.30％；其余为Ti。 
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述： 
实施例1 
300公斤级别Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Zr-0.25Si钛合金制备： 
(1)配料及电极压制： 
按照名义成分(即6.5％Al；3.5Mo；2Nb；2Zr；0.25Si；其余为Ti)，选用一级小颗粒海绵钛、Al-Mo中间合金、Ti-Nb中间合金、Ti-Si中间合金、纯金属Zr，混料300Kg，用压力机压制成单块重量为10Kg的块状电极。 
(2)电极制备： 
采用氩气保护等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。 
(3)制备一次锭 
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流5KA，熔炼电压控制在26V。 
(4)制备二次锭 
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭，熔炼电流7KA，熔炼电压控制在30V。 
(5)制备铸锭 
将二次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流9KA，熔炼电压控制在32V。 
(6)冷却 
熔炼完成后铸锭要求冷却到200℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。 
(7)用车床平头及扒皮后，在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表4所示： 
(8)按照要求进行锻造、热处理、机械加工后最终获得成品零件的组织见性能见表5。 
表4、制备的300公斤Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Zr-0.2Si钛合金铸锭化学成分 
表5-1、300公斤级Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Zr-0.25Si钛合金锭生产零件室温力学性能 
Figure BDA0000073601050000051
表5-2、300公斤级Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Zr-0.25Si钛合金锭生产零件高温力学性能 
Figure BDA0000073601050000052
实施例2 
2000公斤级别Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Zr-0.25Si钛合金制备： 
(1)配料及电极压制： 
按照名义成分(即6.5％ Al；3.5％ Mo；2％ Nb；2％ Zr；0.25％ Si；其余为Ti)，选用一级小颗粒海绵钛、Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、Ti-Si中间合金、纯金属Zr，混料2000Kg(分20次进行)，用压力机压制成单块重量为50Kg的块状电极。 
(2)电极制备： 
采用氩气保护等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。 
(3)制备一次锭 
用上一步制得的长条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流6KA，熔炼电压控制在35V。 
(4)制备二次锭 
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭，熔炼电流12KA，熔炼电压控制在40V。 
(5)制备铸锭 
将二次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流16KA，熔炼电压控制在45V。 
(6)冷却 
熔炼完成后铸锭要求冷却到200℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。 
(7)用车床平头及扒皮后，在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表6所示： 
(8)按照要求进行锻造、热处理、机械加工后最终获得成品零件的组织见性能见表7。 
表6、制备的2000公斤Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Zr-0.25Si钛合金铸锭化学成分 
表7-1、2000公斤级Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Zr-0.2Si钛合金锭生产零件室温力学性能 
Figure BDA0000073601050000062
表7-2、2000公斤级Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Zr-0.2Si钛合金锭生产零件高温力学性能 
Figure BDA0000073601050000071
实施例3 
本实施例中，该1100MPa级热强钛合金的组分按照质量百分比为： 
Al：5.8％；Mo：2.8％；Nb：1.6％；Zr：1.6％；Si：0.20％；其余为Ti。 
1)首先按照以上组分含量进行混料，使用压力机及模具压制为电极块。 
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极。 
3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；熔炼电流12KA，熔炼电压控制在26V。 
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭；熔炼电流15KA，熔炼电压控制在26V。 
5)将二次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，获得铸锭；熔炼电流20KA，熔炼电压控制在26V。 
6)将铸锭冷却到200℃以下出炉。 
实施例4 
本实施例中，该1100MPa级热强钛合金的组分按照质量百分比为： 
Al：7.2％；Mo：3.8％；Nb：2.5％；Zr：2.5％；Si：0.30％；其余为Ti。 
1)首先按照以上组分含量进行混料，使用压力机及模具压制为电极块。 
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极。 
3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；熔炼电流5KA，熔炼电压控制在45V。 
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭；熔炼电流6KA，熔炼电压控制在45V。 
5)将二次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，获得铸锭；熔炼电流6KA，熔炼电压控制在45V。 
6)将铸锭冷却到200℃以下出炉。 

Claims (4)

1.一种1100MPa级热强钛合金的制备方法，其特征在于，所述强钛合金按照质量百分比，包含以下组分：
Al：5.8-7.2%；Mo：2.8-3.8%；Nb：1.6-2.5%；Zr：1.6-2.5%；Si：0.20-0.30%；其余为Ti；
1）按照组分含量进行混料，使用压力机及模具压制为电极块；
2）采用氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3）用步骤2）制得的条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；
4）将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得二次锭；
5）将二次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，获得铸锭；
6）将铸锭冷却到200℃以下出炉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，熔炼电流5~12KA，熔炼电压控制在26~45V。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中，熔炼电流6~15KA，熔炼电压控制在26~45V。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5）中，熔炼电流6~20KA，熔炼电压控制在26~45V。
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