CN102260806A - 一种热强损伤容限型钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热强损伤容限型钛合金及其制备方法，该合金按照质量百分比，包含的组分为：5.8-7.2％Al；2.8-3.8％Mo；1.6-2.5％Nb；1.6-2.5Sn；1.6-2.5％Zr；0.15-0.25％Si；其余为Ti。该合金的制备方法包括：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，最后熔炼完成后铸锭要求冷却到200℃以下出炉。采用本发明的制备方法得到的钛合金所生产的零件在350℃～550℃的高温强度、断裂韧性等性能明显高于目前使用的TC11热强钛合金，同时零件的塑性、冲击等性能方面与TC11热强钛合金在一个数量级别，并具有较高的室温强度和更好的热加工工艺性。这些性能开阔了该种钛合金及其零件在航空发动机中的应用范围，提高了使用效率，降低了成本，具有很好的应用前景。

Description

一种热强损伤容限型钛合金及其制备方法

技术领域

本发明属于合金技术领域，涉及一种钛合金，尤其是一种热强损伤容限型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，具有比强度高、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。

50年代的朝鲜战争，美国飞机在战场被击落击伤近1000架，60年代的越南战争，美国飞机的损失更加惨重，累计4000多架。两次大的战争美国的财力损失很大，但大大促进了美国钛工业和钛加工技术的发展。美国在总结越南战争中飞机事故时发现，飞机机体结构常常出现一种低应力的断裂事故，即构件的工作应力低于材料的屈服强度而发生的脆性断裂事故。经材料和力学家的分析发现，构件内部常常存在一种宏观尺度裂纹。这种裂纹有可能是铸造、锻造、热处理，甚至机械加工产生的。因此，这种带有裂纹的构件使用时的安全性、可靠性和寿命，当然不能用σ_b、σ_0.2、δ₅、ψ、a_k来衡量了。而是应该用裂纹失稳扩展的抵抗能力来评价。如果材料的裂纹失稳扩展抵抗能力越好，那么使用越安全，或者说，即使构件中存在裂纹，照样可以使用而且不会造成断裂或者很快就断裂。把这个能力叫做断裂韧性，材料上称K_1C。20世纪70年代的飞机设计者，已经考虑到提高飞机构件的结构效益和构件的寿命了。

随着飞机设计理念由传统的单纯静强度设计转变到安全-寿命、破损-安全，直至现代的损伤容限设计理念，先进钛合金材料也逐步向高断裂韧型和低裂纹扩展速率的损伤容限型钛合金方向发展。目前，国外发达国家已经在损伤容限型钛合金的研制和在先进飞机上的应用走在了前列，特别像中等强度Ti-6Al-4VELI(σ_b≥900MPa)损伤容限型钛合金和T-62222S(σ_b≥1000MPa)损伤容限型钛合金等，已经成功应用于美国的F-22、F-35、C-17等新一代飞机中，大大提高了飞机的使用寿命和战斗力。在我国相关部门的支持下，我国也先后发展了中等强度的TC4-DT(σ_b≥900MPa)损伤容限型钛合金和高等强度的TC21(σ_b≥1100MPa)损伤容限型钛合金。以上这些损伤容限型钛合金使用温度一般都局限于350℃以下，主要应用飞机机体结构件中。目前国内航空发动机制造中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。对于使用于350℃～550℃的热强损伤容限型钛合金的研制则进行的很少，限制了损伤容限型钛合金在航空发动机中的应用。

表1-1、TC11钛合金零件室温力学性能指标

表1-2、TC11钛合金零件高温力学性能指标

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种热强损伤容限型钛合金及其制备方法，该种钛合金的高温强度、断裂韧性等性能明显高于目前使用的TC11热强钛合金，同时零件的塑性、冲击等性能方面与TC11热强钛合金在一个数量级别，并具有较高的室温强度和更好的热加工工艺性。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种热强损伤容限型钛合金，按照质量百分比，包含以下组分：

5.8-7.2％Al；2.8-3.8％Mo；1.6-2.5％Nb；1.6-2.5Sn；1.6-2.5％Zr；0.15-0.25％Si；其余为Ti。

本发明提出一种上述热强损伤容限型钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：

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步骤1)压制好的电极快组焊为长条状电极；

3)用步骤2)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；

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成品铸锭；

6)熔炼完成后将成品铸锭冷却到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。

在步骤4)中，熔炼电流6～15KA，熔炼电压控制在26～45V。

在步骤5)中，熔炼电流6～20KA，熔炼电压控制在26～45V。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

采用本发明的制备方法得到的钛合金所生产的零件在350℃～550℃的高温强度、断裂韧性等性能明显高于目前使用的TC11热强钛合金，同时零件的塑性、冲击等性能方面与TC11热强钛合金在一个数量级别，并具有较高的室温强度和更好的热加工工艺性。这些性能开阔了该种钛合金及其零件在航空发动机中的应用范围，提高了使用效率，降低了成本，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为300公斤级Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-0.2Si钛合金锭生产零件高倍组织图；

图2为2000公斤级Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-0.2Si钛合金锭生产零件高倍组织图。

具体实施方式

本发明提出的热强损伤容限型钛合金，按照质量百分比，包含组分有：5.8-7.2％Al；2.8-3.8％Mo；1.6-2.5％Nb；1.6-2.5Sn；1.6-2.5％Zr；0.15-0.25％Si；其余为Ti。

以上组分可以具体选用海绵钛、Al-Mo中间合金、Ti-Nb(或Al-Nb)中间合金、Ti-Sn中间合金、Ti-Si(或Al-Si)中间合金、纯金属Zr等。

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-2Sn-2Zr-0.2Si钛合金制备：

(1)配料及电极压制：

按照名义成分Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-0.2Si(即6.5％的Al；3.5％的Mo；2％的Nb；2％的Sn；2％的Zr；0.2％的Si；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-Sn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)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图1、性能见表5。

表4、制备的300公斤Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-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-2Sn-2Zr-0.2Si钛合金锭生产零件室温力学性能

表5-2、300公斤级Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-0.2Si钛合金锭生产零件高温力学性能

实施例2

2000公斤级别Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-0.2Si钛合金制备：

(1)配料及电极压制：

按照名义成分Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-0.2Si，选用一级小颗粒海绵钛、Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、Ti-Sn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)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图2、性能见表7。

表6、制备的2000公斤Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-0.2Si钛合金铸锭化学成分

表7-1、2000公斤级Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-0.2Si钛合金锭生产零件室温力学性能

表7-2、2000公斤级Ti-6.5Al-3.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-0.2Si钛合金锭生产零件高温力学性能

实施例3

本实施例中，热强损伤容限型钛合金的质量百分比组分如下：

5.8％Al；2.8％Mo；1.6％Nb；1.6％Sn；1.6％Zr；0.15％Si；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)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊将步骤1)压制好的电极快组焊为长条状电极。

3)用步骤2)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5KA，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6KA，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成品铸锭；熔炼电流6KA，熔炼电压控制在26V。

6)熔炼完成后将成品铸锭冷却到200℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。

随后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。三次铸锭切取冒口后，依次进行β相区和(α+β)双相区多火次锻造，获得组织为等轴组织或双态组织的棒材。在相变点下0℃～20℃范围加热锻造，并通过双重退火处理以及必要的机械加工，最终获得三态组织的成品零件。

实施例4

本实施例中，热强损伤容限型钛合金的质量百分比组分如下：

7.2％Al；3.8％Mo；2.5％Nb；2.5％Sn；2.5％Zr；0.25％Si；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)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊将步骤1)压制好的电极快组焊为长条状电极。

3)用步骤2)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12KA，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15KA，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成品铸锭；熔炼电流20KA，熔炼电压控制在45V。

6)熔炼完成后将成品铸锭冷却到200℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。

随后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。三次铸锭切取冒口后，依次进行β相区和(α+β)双相区多火次锻造，获得组织为等轴组织或双态组织的棒材。在相变点下0℃～20℃范围加热锻造，并通过双重退火处理以及必要的机械加工，最终获得三态组织的成品零件。

Claims (5)

1.一种热强损伤容限型钛合金，其特征在于，按照质量百分比，包含以下组分：

5.8-7.2％Al；2.8-3.8％Mo；1.6-2.5％Nb；1.6-2.5Sn；1.6-2.5％Zr；0.15-0.25％Si；其余为Ti。

2.一种权利要求1所述热强损伤容限型钛合金的制备方法，其特征在于，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步骤1)压制好的电极快组焊为长条状电极；

3)用步骤2)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；

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成品铸锭；

6)熔炼完成后将成品铸锭冷却到200℃以下出炉。

3.根据权利要求2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。

4.根据权利要求2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。

5.根据权利要求2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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