CN103014413A

CN103014413A - 一种复合强化耐热钛合金

Info

Publication number: CN103014413A
Application number: CN2011102892743A
Authority: CN
Inventors: 胡鑫; 王振强; 黄克忠; 李峰; 李鹏
Original assignee: SHIFANG MINGRI AEROSPACE INDUSTRY CO LTD
Current assignee: SHIFANG MINGRI AEROSPACE INDUSTRY CO LTD
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种复合强化耐热钛合金，该合金由以下重量百分数的原料组成：铝5.5％～6.5％，锡3％～5％，锆4.5％～7.5％，钨0.8％～2％，硅0.15％～0.35％，铌0.5％～1.5％，其余为钛和不可避免的杂质。本发明钛合金具有如说明书所述优良特点。

Description

一种复合强化耐热钛合金

技术领域

本发明涉及一种耐热钛合金，特别是涉及一种用于制造各种高温环境下使用的钛合金零部件的耐热钛合金。

背景技术

耐热钛合金是制造当代高性能航空器材例如航空发动机所必须的先进材料，随着发动机性能的不断提高，对耐热钛合金的性能也提出了越来越高的要求。

CN1031721A公开了一种最高使用温度可达550℃的耐热钛合金，其特征在于采用稀土元素钕(Nd)使钛合金强化并改善钛合金表面的抗氧化性能。合金的成分范围为：铝2.5～7；锡2～11；锆0.5～5；钼0.2～2；硅0.08～0.5；钕0.2～2.5；钛余量，其最佳成分范围为铝4.5～6.5；锡3～6；锆1～3；钼0.5～1.5；硅0.1～0.3；钕0.5～1.5；钛余量。据说该耐热钛合金在550℃下仍保持有良好的高温抗张强度、抗蠕变强度和热稳定性等综合性能。

目前先进航空发动机要求钛合金的使用温度要达到600℃，而常规钛合金的极限使用温度就是600℃，在此温度下合金的某些性能急剧恶化，尤其是抗蠕变性能和热稳定性能无法满足使用要求。

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。

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。

本领域仍然期待具有优异性能的新颖耐热钛合金。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种在使用温度达到600℃时，其抗蠕变性能和热稳定性能仍能满足使用要求的耐热钛合金。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耐热钛合金，其特征在于该合金由以下重量百分数的原料组成：

铝4％～8％，锡1％～7％，锆2％～8％，

钨0.25％～4％，硅0.1％～0.5％，铌0.2％～2.5％，其余为钛和不可避免的杂质。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述铝的重量百分数为4.5％～7.5％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述锡的重量百分数为1.5％～6.5％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述锆的重量百分数为2.5％～8％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述钨的重量百分数为0.4％～3.5％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述硅的重量百分数为0.1％～0.45％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述铌的重量百分数为0.25％～2.25％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述钛合金由以下重量百分数的原料组成：

铝5.5％～6.5％，锡3％～5％，锆4.5％～7.5％，

钨0.8％～2％，硅0.15％～0.35％，铌0.5％～1.5％，其余为钛和不可避免的杂质。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述铝的重量百分数为5.75％～6.25％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述锡的重量百分数为3.25％～4.75％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述锆的重量百分数为4.75％～7.25％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述钨的重量百分数为1％～1.75％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述硅的重量百分数为0.175％～0.325％。

在本发明钛合金的一个实施方案中，所述铌的重量百分数为0.75％～1.5％。

在本发明钛合金的一些实施方案中，其基本上具有如下文实施例所述的配方组成和配比。

本发明所设计的是一种七组元钛合金，采用高温固溶原理，在合金中加入了重量百分比为0.25～4％的高熔点金属钨元素、0.1％～0.5％的硅元素和0.2％～2.5％的铌元素，能够提高合金的高温强度和抗蠕变性能；同时合金的组织得到细化，疲劳性能显著改善；并且能够使合金的加工工艺性能提高，使其获得了较好的综合性能。

本品的制备过程是：将纯度为99％以上的铝、锆和铌三种金属(颗粒或屑)及钛-80锡、铝-20钨、铝-10硅三种中间合金按重量百分比铝4％～8％，锡1％～7％，锆2％～8％，钨0.25％～4％，硅0.1％～0.5％，铌0.2％～2.5％，其余为钛进行配制，然后在油压机上压制成块状电极，并将数块电极采用等离子焊接组焊成长条状电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次熔炼，将熔炼好的铸锭加热至1100℃进行锻造加工，最终制成各种规格的棒材；或锻制成板坯，然后将板坯轧制成各种厚度的板材。

在一个实施方案中，本发明钛合金的铸锭采用真空自耗电弧炉熔炼，熔炼次数为三次。在一个实施方案中，本发明钛合金的铸锭采用真空自耗电弧炉熔炼，熔炼次数为三次，最后一次熔炼稳定阶段的压强应不大于5Pa。在一个实施方案中，所述自耗电极不使用钨极氩弧焊焊接。

在本发明的一个实施方案中，本发明钛合金的力学性能在经β相区固溶+时效热处理后的试样坯上进行测试，可以采用的热处理制度为1000～1020℃，保温0.25～4h，炉冷至920℃～960℃保温0.25～4h，空冷；920～940℃，保温0.25～4h，炉冷至750℃～850℃保温0.25～4h，空冷。

在本发明的一个实施方案中，本发明钛合金的力学性能在经α+β相区固溶+时效热处理后的试样坯上进行测试，可以采用的α+β相区固溶+时效热处理制度为920～950℃，保温0.25～4h，空冷；750℃保温0.25～4h，空冷。

在本发明的一个实施方案中，本发明钛合金的力学性能在经β相区固溶+时效热处理后的试样坯上进行测试，可以采用的β相区固溶+时效热处理制度为1000～1020℃，保温1～4h，炉冷至920℃～960℃保温1～4h，空冷；920～940℃，保温1～4h，炉冷至750℃～850℃保温1～4h，空冷。

在本发明的一个实施方案中，本发明钛合金的力学性能在经α+β相区固溶+时效热处理后的试样坯上进行测试，可以采用的α+β相区固溶+时效热处理制度为920～950℃，保温1～4h，空冷；750℃保温1～4h，空冷。

在本发明的一个实施方案中，本发明钛合金的热处理制度可以为1000～1020℃，保温0.25～4h，炉冷至920℃～960℃保温0.25～4h，空冷；920～940℃，保温0.25～4h，炉冷至750℃～850℃保温0.25～4h，空冷。

在本发明的一个实施方案中，本发明钛合金的热处理制度可以为920～950℃，保温0.25～4h，空冷；750℃保温0.25～4h，空冷。

在本发明的一个实施方案中，本发明钛合金的热处理制度可以为1000～1020℃，保温1～4h，炉冷至920℃～960℃保温1～4h，空冷；920～940℃，保温1～4h，炉冷至750℃～850℃保温1～4h，空冷。

在本发明的一个实施方案中，本发明钛合金的热处理制度可以为920～950℃，保温1～4h，空冷；750℃保温1～4h，空冷。

本发明所制备的钛合金棒材和板材具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和热稳定性优异。例如在一个实施方案中本发明的耐热钛合金具有如下优良性能：

室温拉伸性能Rm≥880MPa，A5≥12％，Z≥24％；

高温蠕变性能600℃/150MPa/100h条件下残余变形≤0.12％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥840MPa，A5≥6％，Z≥9％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥430Mpa。

同时该合金具有良好的可焊性，可采用真空电子束或氩弧焊方法对合金板材进行焊接加工，焊接强度系数大于90％。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和热稳定性优异，抗蠕变性能和热稳定性形成良好的匹配，可以在600℃甚至在700℃条件下长期使用；同时该合金具有良好的可焊性，可采用真空电子束或氩弧焊方法对合金板材进行焊接加工，焊接强度系数大于90％。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

在本发明中，相关参数的测试方法可以使用已知方法，例如使用以下标准记载的方法：GB/T 228-2002金属拉伸试验方法；GB/T232-1999金属弯曲试验方法；GB/T 3621-1994钛及钛合金板材；GB/T4698-1996钛及钛合金化学分析方法；GB/T 5168-1985两相钛合金高低倍组织检验方法；Q/BS 0505钛及钛合金中板超声波探伤方法；GB/T 3620.2钛及钛合金加工产品化学成分及成分允许偏差。

实施例1

本实施例合金的原料组成及重量百分数为：

铝8％、锡1％、锆8％、

钨0.25％、硅0.5％、铌0.2％，其余为钛和不可避免的杂质。

制备工艺：将纯度为99％以上的铝、锆和铌三种金属(颗粒或屑)及钛-80锡、铝-20钨、铝-10硅三种中间合金按上述配比进行配制，然后在油压机上压制成块状电极，并将数块电极采用等离子焊接组焊成长条状电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次熔炼，将熔炼好的铸锭加热至1100℃进行锻造加工，最终制成各种规格的棒材。

本实施例所制备的合金棒材具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和热稳定性优异：

室温拉伸性能Rm≥880MPa，A5≥12％，Z≥24％；

高温蠕变性能600℃/150MPa/100h条件下残余变形≤0.12％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥840MPa，A5≥6％，Z≥9％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥430Mpa。

实施例2

本实施例合金的原料组成及重量百分数为：

铝4％，锡7％，锆2％，

钨4％，硅0.1％，铌2.5％，其余为钛和不可避免的杂质。

制备工艺：将纯度为99％以上的铝、锆和铌三种金属(颗粒或屑)及钛-80锡、铝-20钨、铝-10硅三种中间合金按上述配比进行配制，然后在油压机上压制成块状电极，并将数块电极采用等离子焊接组焊成长条状电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次熔炼，将熔炼好的铸锭加热至1150℃进行锻造加工，锻制成板坯，然后将板坯轧制成各种厚度的板材。

本实施例所制备的合金板材具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和疲劳性能优异：

室温拉伸性能Rm≥950MPa，A5≥13％，Z≥24％；

高温蠕变性能600℃/170MPa/100h条件下残余变形≤0.15％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥920MPa，A5≥6％，Z≥10％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥450Mpa。

实施例3

本实施例合金的原料组成及重量百分数为：

铝6.8％，锡2.8％，锆7.8％，

钨0.7％，硅0.375％，铌0.4％，其余为钛和不可避免的杂质。

制备工艺：将纯度为99％以上的铝、锆和铌三种金属(颗粒或屑)及钛-80锡、铝-20钨、铝-10硅三种中间合金按上述配比进行配制，然后在油压机上压制成块状电极，并将数块电极采用等离子焊接组焊成长条状电极，然后在真空自耗电弧炉中进行2～3次熔炼，将熔炼好的铸锭加热至1200℃进行锻造加工，锻制成板坯，然后将板坯轧制成各种厚度的板材。

本实施例所制备的合金板材具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和室温疲劳性能优异：

室温拉伸性能Rm≥970MPa，A5≥10％，Z≥23％；

高温蠕变性能600℃/150MPa/100h条件下残余变形≤0.10％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥910MPa，A5≥6％，Z≥9％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥470Mpa。

实施例4

本实施例合金的原料组成及重量百分数为：

铝5.2％，锡5.3％，锆4.25％，钨2.25％，硅0.1％，铌1.75％，其余为钛和不可避免的杂质。

本实施例所制备的合金板材具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和热稳定性优异：

室温拉伸性能Rm≥960MPa，A5≥9％，Z≥22％；

高温蠕变性能600℃/160MPa/100h条件下残余变形≤0.2％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥910MPa，A5≥6％，Z≥9％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥420Mpa。

实施例5

本实施例合金的原料组成及重量百分数为：

铝4.5％，锡3％，锆4.5％，钨0.8％，硅0.4％，铌0.4％，其余为钛和不可避免的杂质。

制备工艺：将纯度为99％以上的铝、锆和铌三种金属(颗粒或屑)及钛-80锡、铝-20钨、铝-10硅三种中间合金按上述配比进行配制，然后在油压机上压制成块状电极，并将数块电极采用等离子焊接组焊成长条状电极，然后在真空白耗电弧炉中进行2～3次熔炼，将熔炼好的铸锭加热1150℃进行锻造加工，最终制成各种规格的棒材。

本实施例所制备的合金棒材具有良好的综合性能：

室温拉伸性能Rm≥850MPa，A5≥11％，Z≥24％；

高温蠕变性能600℃/160MPa/100h条件下残余变形≤0.15％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥800MPa，A5≥6％，Z≥9％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥460Mpa。

实施例6

本实施例合金的原料组成及重量百分数为：

铝6.25％、锡3.25％、锆7.25％、

钨0.825％、硅0.35％、铌0.52％，其余为钛和不可避免的杂质。

室温拉伸性能Rm≥980MPa，A5≥14％，Z≥26％；

高温蠕变性能600℃/150MPa/100h条件下残余变形≤0.10％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥970MPa，A5≥8％，Z≥12％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥480Mpa。

实施例7

本实施例合金的原料组成及重量百分数为：

铝5.65％，锡5％，锆4.75％，

钨1.85％，硅0.15％，铌1.4％，其余为钛和不可避免的杂质。

室温拉伸性能Rm≥990MPa，A5≥13％，Z≥26％；

高温蠕变性能600℃/170MPa/100h条件下残余变形≤0.1％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥920MPa，A5≥7％，Z≥11％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥490Mpa。

实施例8

本实施例合金的原料组成及重量百分数为：

铝6.1％，锡4.05％，锆6.1％，

钨1.4％，硅0.252％，铌1.05％，其余为钛和不可避免的杂质。

室温拉伸性能Rm≥1040MPa，A5≥14％，Z≥26％；

高温蠕变性能600℃/150MPa/100h条件下残余变形≤0.10％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥1030MPa，A5≥8％，Z≥11％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥490Mpa。

比较例1

本比较例合金配方和制备工艺基本上参考上述实施例5，不同之处是将合金配方中的铌替换为钇。

所制备的合金棒材性能如下：

室温拉伸性能Rm≥740MPa，A5≥7％，Z≥18％；

高温蠕变性能600℃/160MPa/100h条件下残余变形≤0.28％；

热稳定性600℃/100h热暴露后，Rm≥710MPa，A5≥3％，Z≥6％；

室温疲劳性能R＝-1，σ≥420Mpa。

Claims

1.一种耐热钛合金，其特征在于该合金由以下重量百分数的原料组成：

铝5.5％～6.5％，锡3％～5％，锆4.5％～7.5％，

2.根据权利要求1的耐热钛合金，其中所述铝的重量百分数为5.75％～6.25％。

3.根据权利要求1至2任一项的耐热钛合金，其中所述锡的重量百分数为3.25％～4.75％。

4.根据权利要求1至3任一项的耐热钛合金，其中所述锆的重量百分数为4.75％～7.25％。

5.根据权利要求1至4任一项的耐热钛合金，其中所述钨的重量百分数为1％～1.75％。

6.根据权利要求1至5任一项的耐热钛合金，其中所述硅的重量百分数为0.175％～0.325％。

7.根据权利要求1至6任一项的耐热钛合金，其中所述铌的重量百分数为0.75％～1.5％。

8.根据权利要求1至7任一项的耐热钛合金，其基本上具有如实施例所述的配方组成和配比。