CN104451337A - 一种新型钛合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型钛合金及其制备方法和应用，所述新型钛合金主要由以下各重量百分比的元素组成：钛元素21.5%~24.5%，镍元素9%~ 12.5%，钼元素4.5%~7.5%，铬元素7%~10.5%，钴元素4.5%~7%，钐元素7%~10%，铝元素6.5%~9.5%，镁元素4%~7.5%，锂元素7%~9.5%，硅元素0%~1%，钌元素6.5%~9.5%，铁元素5.5%~8%。本发明的新型钛合金成本低，使用温度高，密度小，机械性能强，是涡扇式汽车发动机和汽车零部件的最佳用材。

Description

一种新型钛合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于钛基合金领域，尤其是一种密度低、整体组织均匀细致、刚性强度大、抗高温、抗严寒的新型钛合金及其制备方法和应用。
背景技术
随着科学技术的进步，汽车制造业蓬勃发展，但全球现有的汽车发动机结构仍延用上世纪工艺，不环保、不节油。现今各种产品设计理念都趋向于质量轻、重环保的发展方向。涡扇式汽车发动机具有环保、节约、质量轻等优点。因此，制备涡扇式汽车发动机的材料需要做相当程度的考虑，其中以钛合金的应用最为广泛。
现有的航空、航天、航海以及各精密仪器设备的钛合金材料应用技术都普遍存在成本过高的问题，极大的限制了它的应用与推广，世界主要钛合金生产国都把降低生产成本作为钛合金向前发展的一项重要指标。目前工业上应用的钛合金含有V、Mo、Zr等元素，价格比较昂贵，许多国家都在积极寻找这些元素的替代品，美国和日本在这方面做了大量的工作。其中，美国的TimCt公司用Fe代替V研发出TimCt LCB合金（组成1.5Ti-6.8Al-4.5Mo-3.3Fe），以取代成本较高的Ti-1023高强合金。
此外，在特高温例如750℃至1300℃下，钛合金材料会出现工作性能失控、抗疲劳失时、抗衰退过早氧化、耐磨性变差，在低温、强低温下易变脆，从而使得上述行业整个工艺充满变量，导致合金材料质量无法有效提升。
我国是工业大国，近几年航空航天工业、汽车工业发展迅猛，但是缺乏新材料引领工业化的拳头产品。为满足工业发展的需求，急需一种低成本、高性能的合金材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型钛合金及其制备方法和应用。该合金具有低成本、耐冲击性、耐磨性、抗韧性、抗膨胀性、抗冷脆性、抗高温性、抗疲劳性等优点，且密度低，整体组织结构均匀。
本发明提供的新型钛合金，主要由以下各重量百分比的元素组成：钛元素21.5% ~ 24.5%，镍元素9% ~ 12.5%，钼元素4.5% ~ 7.5%，铬元素7% ~ 10.5%，钴元素4.5% ~ 7%，钐元素7% ~ 10%，铝元素6.5% ~ 9.5%，镁元素4% ~ 7.5%，锂元素7% ~9.5%，硅元素0% ~1%，钌元素6.5% ~ 9.5%，铁元素5.5% ~ 8%。优选地，所述新型钛合金，主要由以下各重量百分比的元素组成：钛元素22.2% ~ 24.3%，镍元素10.0% ~ 11.1%，钼元素5.1% ~ 6.8%，铬元素7.4% ~ 9.2%，钴元素5.2% ~ 6.8%，钐元素7.3% ~ 9.1%，铝元素7.9% ~ 9.4%，镁元素4.9% ~ 6.1%，锂元素7.4% ~8.9%，硅元素0.2% ~0.5%，钌元素7.8% ~ 9.1%，铁元素6.2% ~ 7.1%。优选地，所述新型钛合金，主要由以下各重量百分比的元素组成：钛元素23.06%，镍元素10.62%，钼元素6.1%，铬元素8.52%，钴元素6%，钐元素8.3%，铝元素8.31%，镁元素5.62%，锂元素8.23%，硅元素0.31%，钌元素8.3%，铁元素6.63%。
所述新型钛合金的晶相为在钛合金内部析出钐镁锂钌相。
本发明提供的制备上述新型钛合金的方法主要包括以下步骤：步骤一，将含有钛镍钼钴铬硅铁铝元素的合金材料按照上述重量百分比置入真空凝壳熔炼炉的坩埚内，对该真空凝壳熔炼炉内胆进行抽真空处理；步骤二，在将该真空凝壳熔炼炉的坩埚进行加热，使以上合金材料熔融为合金汤；步骤三，把合金汤倒入含有惰性气体保护并预置钐镁锂钌的熔器中，得到含有钛镍钼钴铬硅铁铝钐镁锂钌的合金汤；步骤四，将含上述12种元素的合金汤倒入铸模中冷却成形，再压铸挤压成形，得到含有钛镍钼钴铬硅铁铝钐镁锂钌的新型钛合金；其中，钛元素与钐镁锂钌元素结合反应，于新型钛合金内部析出钐镁锂钌相。优选地，所述步骤三的具体操作为：将该合金汤倒入含有惰性气体保护并预置钐镁锂钌元素的盛桶中进行自动搅拌，并通过再次熔融得到含有钛镍钼铬钴钐铝镁锂硅钌铁元素的合金汤。
进一步地，在所述步骤四之后还需对新型钛合金进行热等静压后处理或时效后处理或先进行热等静压后进行时效后处理；之后再进行回火处理、正火处理。所述热等静压温度为900 ~ 920℃，压力为100 ~ 140MPa，热等静压保压保温时长2 ~ 4h；所述时效温度为500℃ ~ 550℃，时效时长为6 ~ 10h。
本发明提供的新型钛合金的应用，主要为用于制备涡扇式汽车发动机。
本发明的新型钛合金，密度低，与普通钛合金材料相比具有更高的弹性，更高的使用温度，更优异的高温强度，更高的刚性，更高的蠕变性抗力，更高的抗氧化性及高弹性模量；其力学性能和加工性能高于Ti-1023高强合金，由于用廉价的镍硅铁铝镁锂等等元素替代昂贵的钒、钯等元素，大大降低了生产成本，是涡扇式汽车发动机以及汽车零部件用材的最佳材料。
附图说明
图1为本发明新型钛合金的制备方法流程图。
具体实施方式
现结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
    如图1所示，本发明的新型钛合金制备方法可以分为四步。步骤一：将含有钛镍钼钴铬硅铁铝元素的合金材料按照重量百分比为钛元素23.06%，镍元素10.62%，钼元素6.1%，铬元素8.52%，钴元素6%，铝元素8.31%，硅元素0.31%，铁元素6.63%放入真空凝壳熔炼炉的坩埚内，对该真空凝壳熔炼炉内胆进行抽真空处理；步骤二：对该真空凝壳熔炼炉的坩埚进行加热，加热温度和时长以能使上述合金材料熔融为合金汤即可；步骤三：接着将含有钛镍钼钴铬硅铁铝元素的合金汤倒入含有惰性气体保护并预置有重量百分比为钐元素8.3%、镁元素5.62%、锂元素8.23%、钌元素8.3%的盛桶中进行自动搅拌，并通过再次熔融得到含有钛镍钼铬钴钐铝镁锂硅钌铁元素的合金汤；步骤四，最后将含上述12种元素的合金汤倒入铸模中冷却成形，再压铸挤压成形，即得到含有钛镍钼钴铬硅铁铝钐镁锂钌的新型钛合金。其中，钛元素与钐镁锂钌元素结合反应，于新型钛合金内部析出钐镁锂钌相。所制得的新型钛合金的性能如表1所示。
表1 本发明的新型钛合金与其它钛合金的性能对比
性能 本发明的新型钛合金 Ti3Al基合金 普通钛基合金 高温高强度钛合金
密度 g.cm3 7.1 4.7 4.5 8.3
σb  MPa 991 800 ~ 1051 480 ~ 1000 321
σ0.2  MPa 883 700 ~ 990 380 ~ 456 323
蠕变极限 ℃ 1000 760 600 912
抗氧化极限 ℃ 1326 650 600 1090
室温延展性 % 9 2 ~ 6 10 ~ 20 3 ~ 5
高温延展性 % 16 10 ~ 20 6 ~ 8 10 ~ 20
金相结构 L10 D019 hcp/bcc fcc/L12
本实施例还可以包括后处理步骤，即步骤五：将含有钛镍钼钴铬硅铁铝钐镁锂钌的新型钛合金分为3份，第一份放入保温装置中进行时效处理，所述保温装置内的温度为527℃，时长为8 h；第二份放入热等静压烧结炉中进行热等静压处理，所述热等静压温度为910℃，压力103 MPa，热等静压保压保温时长2 h；第三份放入热等静压烧结炉中进行热等静压处理，热等静压条件同第二份新型钛合金，然后再放入保温装置中进行时效处理，时效温度和时长与第一份新型钛合金的时效温度和时长相同。经热等静压或时效处理后的新型钛合金的性能如表2所示。
表2 经热等静压或时效处理后的合金性能对比
本实施例的新型钛合金用廉价的镍硅铁铝镁锂等等元素替代昂贵的钒、钯等元素，大大降低了生产成本，且本实施例的新型钛合金机械性能好，其做为涡扇式汽车发动机以及汽车零部件用材都是最佳材料。
实施例2
本实施例中的新型合金制备步骤同实施例1，不同之处在于：步骤一中，所述钛镍钼钴铬硅铁铝元素的合金材料的重量百分比为钛元素22.2%，镍元素11.1%，钼元素5.1%，铬元素9.2%，钴元素5.2%，铝元素7.9%，硅元素0.5%，铁元素7.1%；步骤三中，所述钐镁锂钌元素的重量百分比为钐元素9.1%、镁元素6.1%、锂元素7.4%、钌元素9.1%。所制得的新型钛合金的性能如表3所示。
实施例3
本实施例中的新型合金制备步骤同实施例1，不同之处在于：步骤一中，所述钛镍钼钴铬硅铁铝元素的合金材料的重量百分比为钛元素24.3%，镍元素10%，钼元素6.8%，铬元素7.4%，钴元素6.8%，铝元素9.4%，硅元素0.2%，铁元素6.2%；步骤三中，所述钐镁锂钌元素的重量百分比为钐元素7.3%、镁元素4.9%、锂元素8.9%、钌元素7.8%。所制得的新型钛合金的性能如表3所示。
实施例4
本实施例中的新型合金制备步骤同实施例1，不同之处在于：步骤一中，所述钛镍钼钴铬硅铁铝元素的合金材料的重量百分比为钛元素21.5%，镍元素12.5%，钼元素4.5%，铬元素10.5%，钴元素4.5%，铝元素6.5%，硅元素1%，铁元素8%；步骤三中，所述钐镁锂钌元素的重量百分比为钐元素10%、镁元素7.5%、锂元素7%、钌元素6.5%。所制得的新型钛合金的性能如表3所示。
实施例5
    本实施例中的新型合金制备步骤同实施例1，不同之处在于：步骤一中，所述钛镍钼钴铬硅铁铝元素的合金材料的重量百分比为钛元素24.5%，镍元素9%，钼元素7.5%，铬元素7%，钴元素7%，铝元素9.5%，硅元素0%，铁元素5.5%；步骤三中，所述钐镁锂钌元素的重量百分比为钐元素7%、镁元素4%、锂元素9.5%、钌元素9.5%。所制得的新型钛合金的性能如表3所示。
    表3 本发明各实施例的新型钛合金性能对比
本发明的重点在于新型钛合金中各元素的重量百分比。由上述实施例可知，本发明的新型钛合金密度低，比普通钛合金材料具有更高的弹性，更高的使用温度，更优异的高温强度，更高的刚性，更高的蠕变性抗力，更高的抗氧化性及更高的弹性模量。由于用廉价的镍硅铁铝镁锂等等元素替代昂贵的钒、钯等元素，大大降低了生产成本，是涡扇式汽车发动机以及汽车零部件用材的最佳材料。

Claims (8)

1.一种新型钛合金，其特征在于，所述新型钛合金主要由以下各重量百分比的元素组成：钛元素21.5% ~ 24.5%，镍元素9% ~ 12.5%，钼元素4.5% ~ 7.5%，铬元素7% ~ 10.5%，钴元素4.5% ~ 7%，钐元素7% ~ 10%，铝元素6.5% ~ 9.5%，镁元素4% ~ 7.5%，锂元素7% ~9.5%，硅元素0% ~1%，钌元素6.5% ~ 9.5%，铁元素5.5% ~ 8%。
2.根据权利要求1所述的新型钛合金，其特征在于，所述新型钛合金主要由以下各重量百分比的元素组成：钛元素22.2% ~ 24.3%，镍元素10.0% ~ 11.1%，钼元素5.1% ~ 6.8%，铬元素7.4% ~ 9.2%，钴元素5.2% ~ 6.8%，钐元素7.3% ~ 9.1%，铝元素7.9% ~ 9.4%，镁元素4.9% ~ 6.1%，锂元素7.4% ~8.9%，硅元素0.2% ~0.5%，钌元素7.8% ~ 9.1%，铁元素6.2% ~ 7.1%。
3.根据权利要求2所述的新型钛合金，其特征在于，所述新型钛合金主要由以下各重量百分比的元素组成：钛元素23.06%，镍元素10.62%，钼元素6.1%，铬元素8.52%，钴元素6%，钐元素8.3%，铝元素8.31%，镁元素5.62%，锂元素8.23%，硅元素0.31%，钌元素8.3%，铁元素6.63%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的新型钛合金，其特征在于：所述新型钛合金的晶相为在钛合金内部析出钐镁锂钌相。
5.一种新型钛合金的制备方法，主要包括以下步骤：步骤一，将含有钛镍钼钴铬硅铁铝元素的合金材料按照权利要求1-3任一项所述的新型钛合金中的钛镍钼钴铬硅铁铝元素重量百分比置入真空凝壳熔炼炉的坩埚内，对该真空凝壳熔炼炉内胆进行抽真空处理；步骤二，在将该真空凝壳熔炼炉的坩埚进行加热，使以上合金材料熔融为合金汤；步骤三，把合金汤倒入含有惰性气体保护并预置钐镁锂钌的熔器中，得到含有钛镍钼钴铬硅铁铝钐镁锂钌的合金汤，所述钐镁锂钌的重百分比为权利要求1-3任一项所述的新型钛合金中的钐镁锂钌元素重量百分比；步骤四，将含上述12种元素的合金汤倒入铸模中冷却成形，再压铸挤压成形，得到含有钛镍钼钴铬硅铁铝钐镁锂钌的新型钛合金。
6.根据权利要求5所述的新型钛合金的制备方法，其特征在于：还包括热等静压后处理步骤或时效后处理步骤或先进行热等静压再进行时效后处理步骤；所述热等静压温度为900 ~ 920℃，压力为100 ~ 140MPa，热等静压保压保温时长2 ~ 4h；所述时效温度为500℃ ~ 550℃，时效时长为6 ~ 10h。
7.根据权利要求6所述的新型钛合金的制备方法，其特征在于：在经过热等静压后处理步骤或时效后处理步骤或先进行热等静压再进行时效后处理步骤之后，再进行回火处理、正火处理。
8.一种新型钛合金的应用，其特征在于：将权利要求1-3任一项所述的新型钛合金用于制备制备涡扇式汽车发动机。
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