CN1031721A - 一种耐热钛合金 - Google Patents

Abstract

本发明提供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。本发明所提供的耐热 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。为航空发动机提 供了理想的压气机盘和叶片材料。

Description

本发明属于钛基合金的技术领域。

钛合金以其高的比强度而越来越多地应用在高性能航空发动机上，早在六十年代初期，几种最高使用温度达500℃的耐热钛合金，如英国的IMI677，苏联的BT9和美国的Ti-6242等合金就相继作为航空发动机的压气机盘和叶片材料得到实际应用。随着现代航空技术的发展，发动机设计师们对高于500℃的新型钛合金的呼声也越来越高，然而，近二十多年以来，耐热钛合金的研究却进展不大，到目前为止，各种文献中所报导的实用耐热钛合金其最高使用温度仍停留在500℃的水平。研制550℃高温钛合金所遇到的主要问题是合金的热稳定性（即蠕变后室温塑性）同热强性（即高温强度和蠕变强度）的矛盾，而热稳定性所涉及到的钛合金相结构的稳定性和合金表面氧化问题，随着温度的升高显得愈来愈突出。如通常采用提高钛合金中铝、镓、锡和锆含量的方法以期提高钛合金的使用温度，但是，当上述合金元素含量增加的同时，随之便带来了钛合金热稳定性的下降，即钛合金开始析出Ti₃X（X＝Al，Ga，In，Sn）影响高温钛合金热稳定性的脆性相。

本发明的目的是研究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合金表面的抗氧化性能。这是因为，经过发明人系统的研究工作发现，一方面，稀土元素钕能明显地使钛合金的基体及表面氧化膜的晶粒细化;另一方面，稀土钕在钛合金中发生内氧化反应，形成三氧化二钕（Nd₂O₃）分布在晶界上或基体中，不仅可使钛合金基体中的氧浓度降低。而且Nd₂O₃颗粒在基体中还能钉扎位错，有利于钛合金强度的提高。本发明所提供的耐热钛合金其成分范围是（以重量百分比计算）：

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。

而其最佳成分范围则为（以重量百分比计算）：

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。

稀土元素钕是在原料制备过程中加入的，它可以稀土纯金属钕的形式加入，也可以而且最好是以钕铝合金或钕锡合金两种中间合金的形式加入，因为稀土元素钕以上述两种中间合金的形式加入原料中时，可有效地控制钛合金中的氧含量，有利于确保本发明所提供耐热钛合金良好的热稳定性。由于钕铝和钕锡合金均为连续固溶体，考虑到成份配比，故本发明所提供的耐热钛合金在原料中所加入的钕铝合金和钕锡合金中，其含钕量（以重量百分比计算）为10～40。

本发明所提供的耐热钛合金（或简称本合金）可在真空自耗电极电弧炉中熔炼，熔炼好的铸锭经扒皮后，可在1150°～1050℃下开坯、锻造;在1090°～1010℃下进行热轧，再经过1040℃/1小时、空冷的固溶处理和600℃/2小时、空冷的时效处理。其拉伸性能、蠕变性能和热稳定性能明显优于英国的IMI829合金和美国的Ti-11合金。下面分别列出三种合金各种性能数据，表中的σb为拉张强度，σ0.2为范性形变0.2%的屈服强度，δ为试样延伸率，ψ为试样的断面收缩率。

表1    室温拉伸性能

合金    σb    σ0.2    δ    ψ

（kg/mm²） （kg/mm²） （%） （%）

I_MI₈₂₉98 84 10 /

Ti-11    95    86    16    29

本合金    110    101    13    30

表2    高温拉伸性能

合金    试验温度    σb    σ0.2    δ    ψ

（℃） （kg/mm²） （kg/mm²） （%） （%）

I_MI₈₂₉540 61 47 12 /

Ti-11    538    57    44    18    40

本合金    550    73    60    13    35

表3    蠕变性能

合金    试验温度    应力    时间    残余变形

（℃） （kg/mm²） （小时） （%）

I_MI₈₂₉540 30.6 100 0.1

Ti-11    538    35    100    0.01（棒）

0.37（盘）

540    35    200    0.27

本合金

550    30    150    0.18

表4    热稳定性能（无应力曝露）

合金    曝露温度    时间    曝露后室温拉伸

σb    σ0.2    δ    ψ

（℃） （小时） （kg/mm²） （kg/mm²） （%） （%）

Ti-11    538    150    114    108    12    17

540    150    111    105    11    17

本合金

550    150    107    102    8    16

表5    热稳定性能（应力曝露）

合金    曝露条件    曝露后室温拉伸

温度    应力    时间    σb    σ0.2    δ    ψ

（℃） （kg/mm²） （小时） （kg/mm²） （kg/mm²） （%

I_MI₈₂₉540 30.6 100 97 84 7 12

Ti-11    538    35    150    114    108    12    17

本合金    550    30    100    110    105    10    15

本发明所提供的耐热钛合金在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。而且本合金在1050°～1100℃下变形抗力较小，适合于异形结构件的模锻成型。因而本发明所提供的耐热钛合金可满足先进的航空发动机对压气机盘和叶片材料所提出的性能要求，为发动机设计师们提供了一种理想的航空用高温材料。

本发明所提供的耐热钛合金其最佳实施例如下：

实施例一、耐热钛合金棒材生产工艺，采用低氧一级海棉钛，稀土钕以钕铝和钕锡中间合金的形式加入，按重量百分比配料，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。混料挤压制成电极，在真空自耗电极电弧炉中二次熔炼，其中一次熔炼电压29～31伏，电流6000～6600安;二次熔炼电压29～31伏，电流6500～7000安。二次铸锭尺寸为直径280长500毫米。铸锭经1120℃开坯后，镦拨，锻至边长80毫米的方棒，再在1050℃改锻成直径43毫米圆棒，并在1090℃由直径43毫米轧制到直径19毫米，在1040℃轧制成直径11毫米的棒材。最后经1040℃/1小时空冷固溶处理和600℃/1小时空冷时效处理，即可出厂。

实施例二、耐热钛合金航空发动机压气机叶片模锻工艺

按实施例一所列出的熔炼和粗锻工艺锻成直径43毫米圆棒，再在1090℃轧成为直径19毫米圆棒，经扒皮到直径18长158毫米的毛坯，再在1090℃下经过顶锻、予锻和终锻三次锻压成型，其中予锻和终锻均在1500吨压力机上进行，锻后空冷，顶锻后至予锻两工序间需要进行吹砂和打磨处理和表面检查;予锻至终锻两工序之间则需要进行吹砂、打磨和涂玻璃润滑剂处理。按此工艺所制造的叶片，质量完全达到要求。

Claims (4)

1、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合金的表面抗氧化性能，合金的成分范围为(以重量百分比计算)：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。

2、按权利要求1所述的耐热钛合金，其特征在于合金成份的最佳成分范围为（以重量百分比计算）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。

3、按权利要求1、2所述的耐热钛合金，其特征在于稀土元素可以纯金属的形式加入原料中，也可以钕铝合金或钕锡合金两种中间合金的形式加入原料中。

4、按权利要求3所述的耐热钛合金，其特征在于所说的钕铝合金或钕锡合金，其含钕量（以重量百分比计算）为10～40。