CN104532060A - 一种Ti-6Al-4V改进型钛合金及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti-6Al-4V改进型钛合金及其加工方法,该合金的化学成分按质量百分数计,包括5.8~6.8%的Al,3.8~4.6%的V,0.02~0.45%的Fe,0.17~0.26%的O,小于等于0.08%的C,小于等于0.05的N,其余为Ti。本发明加工得到的TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金的室温强度、高温强度、高周疲劳性能等性能明显高于目前使用的普通TC4钛合金,同时TC4G钛合金的塑性、冲击等性能与普通TC4钛合金在一个数量级别,能够满足新一代推重比10以上航空发动机压气机(风扇)部件的设计制造需求。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域,具体涉及一种Ti-6Al-4V改进型钛合金及其加工方法。
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。
Ti-6Al-4V钛合金最初由美国在1954年首先研制成功,目前已经发展成为一种国际性的钛合金,是目前人们对其研究最为全面、最为深入的钛合金。在航空、航天、民用等工业中得到了广泛应用,目前占钛合金产量的一半以上。该合金具有良好的工艺塑性和超塑性,合金α+β/β转变温度980℃~1010℃,长期工作温度可达400℃。
1973年开始,我国为配合涡扇-8航空发动机Ti-6Al-4V钛合金叶片的研制工作,开始了该合金的仿制与工程应用研究,我国仿制后命名牌号TC4。目前我国已经采用该合金制造飞机结构中的梁、框、起落架、紧固件,以及航空发动机风扇、压气机盘、机匣、叶片等,航天飞行器压力容器、结构件等,同时也大量用于其它各工业行业中,如医用钛合金、化工用钛合金等。
新一代航空发动机的服役寿命较上一代航空发动机的有较大幅度的提升,同时其推重比进一步增加(推重比由过去的5~8,提升到10以上),对其部件的强度以及高周疲劳寿命提出了更高的要求,特别是作为主要转动件的压气机部件性能要求进一步提高。航空发动机压气机(含风扇部分)部件主要使用钛合金材料制造,其低压压气机(含风扇)部件等一般使用Ti-6Al-4V钛合金制造,目前普通的Ti-6Al-4V钛合金由于强度和高周疲劳性能较低,满足不了新一代推重比10以上的航空发动机设计制造及服役需求,普通Ti-6Al-4V钛合金化学成分、室温力学性能、高温力学性能以及高周疲劳性能指标见表1-1、1-2、1-3、1-4,目前普通Ti-6Al-4V合金中的氧含量正常不高于0.15%,Fe含量正常不高于0.05%,都作为杂质元素控制。
表1-1 国家标准GB/T3620.1-2007中规定普通Ti-6Al-4V钛合金化学成分范围
表1-2 普通Ti-6Al-4V钛合金室温力学性能指标(GB/T2965、GJB2744等国家标准)
注:热处理制度,750~850℃×60min,AC。
表1-3 普通Ti-6Al-4V钛合金高温力学性能指标(GB/T2965、GJB2744等国家标准)
注:热处理制度,750~850℃×60min,AC。
表1-4 普通Ti-6Al-4V钛合金高周旋转弯曲疲劳性能指标
注:热处理制度,750~850℃×60min,AC。
发明内容
本发明为克服现有技术中的问题,提供一种Ti-6Al-4V改进型钛合金及其加工方法,该合金由于氧含量及其间隙元素有效控制,较普通的Ti-6Al-4V钛合金较大幅度提高了其强度和高周疲劳性能,能够满足新一代推重比10以上航空发动机压气机(风扇)部件的设计制造需求。
为实现上述目的,本发明采用如下的技术方案:
一种Ti-6Al-4V改进型钛合金,该合金的化学成分按质量百分数计,包括5.8~6.8%的Al,3.8~4.6%的V,0.02~0.45%的Fe,0.17~0.26%的O,小于等于0.08%的C,小于等于0.05%的N,小于等于0.008%的H,其余为Ti。
该合金的化学成分按质量百分数计,包括5.8~6.8%的Al,3.8~4.6%的V,0.02~0.45%的Fe,0.17~0.26%的O,大于0且小于等于0.08%的C,大于0且小于等于0.05%的N,大于0且小于等于0.008%的H,其余为Ti。
所述该合金的原料为海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、纯金属Fe和Ti2O,或该合金的原料为海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、Ti-Fe中间合金和Ti2O。
所述该合金的室温力学性能为:初生α相含量≥30%,σb≥935N/mm2,σ0.2≥855N/mm2,δ5≥8%,ψ≥20%,aKU≥25J,HB(d)≥3.30mm;所述该合金的室温高周旋转弯曲疲劳性能指标为:加载应力为460N/mm2,循环周次≥2×106。
所述该合金的400℃力学性能指标为:初生α相含量≥30%,σb≥620N/mm2,δ5≥12%ψ≥40%,持久应力为570N/mm2,持久时间≥100h。
一种Ti-6Al-4V改进型钛合金的加工方法,包括以下步骤:
1)配料及电极压制:按照名义成分Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O将海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、纯金属Fe和Ti2O进行混料,或将海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、Ti-Fe中间合金和Ti2O进行混料,然后通过压力机及模具将其压制为电极块;
2)电极制备:将电极组焊为长条状电极;
3)将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)熔炼完成后冷却到200℃以下出炉,得到Ti-6Al-4V改进型钛合金。
所述步骤2)中组焊是通过真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊实现的。
所述步骤3)中熔炼电流为5~20KA,熔炼电压为25~45V。
所述步骤4)中熔炼电流5~25KA,熔炼电压为25~50V。
所述步骤5)中熔炼电流6~35KA,熔炼电压为25~55V。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明中通过向铝合金中加入氧元素和铁元素,并控制氧元素的质量百分数为0.17~0.26%,铁元素的质量百分数为0.02~0.45%,将氧含量及间隙元素有效控制,使得本发明的铝合金较普通的Ti-6Al-4V钛合金较大幅度提高了其强度和高周疲劳性能,能够满足新一代推重比10以上航空发动机压气机(风扇)部件的设计制造需求。本发明的铝合金的加工方法简单,容易实现。
进一步的,熔炼完成后冷却到200℃以下出炉,能够避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷,
本发明加工得到的TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金的室温强度、高温强度、高周疲劳性能等性能明显高于目前使用的普通TC4钛合金,同时TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金的塑性、冲击等性能与普通TC4钛合金在一个数量级别。具体的性能参数为:室温力学性能为:初生α相含量≥30%,σb≥935N/mm2,σ0.2≥855N/mm2,δ5≥8%,ψ≥20%,aKU≥25J,HB(d)≥3.30mm。400℃力学性能指标为:初生α相含量≥30%,σb≥620N/mm2,δ5≥12%ψ≥40%,持久应力为570N/mm2,持久时间≥100h。室温高周旋转弯曲疲劳性能指标为:加载应力为460N/mm2,循环周次≥2×106
附图说明
图1为实施例1加工的300公斤级TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金锭生产零件高倍组织图。
图2为实施例2加工的2000公斤级TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金锭生产零件高倍组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种新一代航空发动机叶片用高氧高强高疲劳Ti-6Al-4V改进型钛合金(合金牌号;TC4G,合金名义成分:Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)及其加工方法,该合金的化学成分按质量百分数计,包括5.8~6.8%的Al,3.8~4.6%的V,0.02~0.45%的Fe,0.17~0.26%的O,小于等于0.08%的C,小于等于0.05的N,小于等于0.008的H,其余为Ti。具体选用的原料为海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、纯金属Fe(或Ti-Fe中间合金)、Ti2O等。本发明铝合金的化学成分有效范围见表2-1,其成品锻件主要性能指标见表2-2、2-3、2-4。
表2-1 本发明TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.2O)钛合金化学成分范围
表2-2 本发明TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.2O)钛合金室温力学性能指标
注:热处理制度,750~850℃×60mi n,AC。
表2-3 本发明TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.2O)钛合金高温力学性能指标
注:热处理制度,750~850℃×60mi n,AC。
表2-4 本发明TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.2O)钛合金高周旋转弯曲疲劳性能指标
注:热处理制度,750~850℃×60min,AC。
本发明还包括该钛合金的加工方法,包括以下步骤:
1)配料及电极压制:按照名义成分Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O及具体选用的海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、纯金属Fe(或Ti-Fe中间合金)、Ti2O等,计算各原料重量并进行混料,通过压力机及模具将其压制为电极块。
2)电极制备:采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊等焊接方法,将压制好的电极快组焊为长条状电极。
3)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,熔炼电流为5~20KA,熔炼电压为25~45V。
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,熔炼电流为5~25KA,熔炼电压为25~50V。
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,熔炼电流为6~35KA,熔炼电压为25~55V。
6)熔炼完成后冷却到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。
8)成品铸锭切取冒口后,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。
9)在相变点下30℃~60℃范围加热锻造,并通过退火处理以及必要的机械加工,最终获得等轴或双态成品锻件。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
300公斤级别TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金制备:
1)配料及电极压制:按照名义成分Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O,选用一级小颗粒海绵钛、Al-V中间合金、Ti-Fe中间合金、Ti2O、纯金属Al,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)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,熔炼电流为5~7KA,熔炼电压控制在26~30V。
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,熔炼电流为6~8KA,熔炼电压控制在26~35V。
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,熔炼电流为6~10KA,熔炼电压控制在26~35V。
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3-1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锻件的组织见图1、性能见表3-2、3-3、3-4。
表3-1 为制备的300公斤TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.2O)钛合金铸锭化学成分
表3-2 为300公斤级TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.2O)钛合金锭生产叶片锻件室温力学性能
注:热处理制度,800℃×60m i n,AC。
表3-3 为300公斤级TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.2O)钛合金锭生产叶片锻件高温力学性能
注:热处理制度,800℃×60m i n,AC。
表3-4 为300公斤级TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金锭生产叶片锻件高周旋转弯曲疲劳性能
实施例2
2000公斤级别TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金制备:
1)配料及电极压制:按照名义成分Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O,选用一级小颗粒海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Fe、纯金属Al、Ti2O中间合金,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)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,熔炼电流为5~8KA,熔炼电压控制在26~45V。
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,熔炼电流为6~15KA,熔炼电压控制在26~45V。
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,熔炼电流为8~20KA,熔炼电压控制在30~45V。
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4-1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锻件的组织见图2、性能见表4-2、4-3、4-4。
表4-1 为制备的2000公斤TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金铸锭化学成分
表4-2 为2000公斤级TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金锭生产叶片室温力学性能
注:热处理制度,800℃×60min,AC。
表4-3 为2000公斤级TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金锭生产叶片室温力学性能
注:热处理制度,800℃×60m i n,AC。
表4-4 为2000公斤级TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金锭生产叶片锻件高周旋转弯曲疲劳性能
实施例3
一种Ti-6Al-4V改进型钛合金的化学成分按质量百分数计,包括5.8的Al,4.6%的V,0.02%的Fe,0.17%的O,0.03%的C,0.05的N,小于等于0.008的H,其余为Ti。
上述Ti-6Al-4V改进型钛合金的加工方法,包括以下步骤:
1)配料及电极压制:按照上述钛合金中化学成分的质量百分数,将海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、纯金属Fe和Ti2O进行混料,然后通过压力机及模具将其压制为电极块;
2)电极制备:将电极通过真空等离子焊组焊为长条状电极;
3)将用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;其中,熔炼电流为17~20KA,熔炼电压为25~28V。
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;其中,熔炼电流14~18KA,熔炼电压为46~50V。
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;其中,熔炼电流10~30KA,熔炼电压为40~55V。
6)熔炼完成后冷却到200℃以下出炉,避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷,得到Ti-6Al-4V改进型钛合金。
实施例4
一种Ti-6Al-4V改进型钛合金的化学成分按质量百分数计,包括6.8的Al,4.4%的V,0.45%的Fe,0.25%的O,0.08%的C,0.02的N,小于等于0.008的H,其余为Ti。
上述Ti-6Al-4V改进型钛合金的加工方法,包括以下步骤:
1)配料及电极压制:按照上述钛合金中化学成分的质量百分数,将海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、Ti-Fe中间合金和Ti2O进行混料,然后通过压力机及模具将其压制为电极块;
2)电极制备:将电极通过氩气保护等离子焊组焊为长条状电极;
3)将用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;其中,熔炼电流为10~13KA,熔炼电压为35~40V。
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;其中,熔炼电流20~25KA,熔炼电压为256~40V。
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;其中,熔炼电流20~30KA,熔炼电压为25~40V。
6)熔炼完成后冷却到200℃以下出炉,避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷,得到Ti-6Al-4V改进型钛合金。
实施例5
一种Ti-6Al-4V改进型钛合金的化学成分按质量百分数计,包括6.4的Al,3.8%的V,0.15%的Fe,0.26%的O,0.05%的C,0.03的N,小于等于0.008的H,其余为Ti。
上述Ti-6Al-4V改进型钛合金的加工方法,包括以下步骤:
1)配料及电极压制:按照上述钛合金中化学成分的质量百分数,将海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、纯金属Fe和Ti2O进行混料,然后通过压力机及模具将其压制为电极块;
2)电极制备:将电极通过真空电子束焊组焊为长条状电极;
3)将用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;其中,熔炼电流为14~15KA,熔炼电压为41~43V。
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;其中,熔炼电流5~10KA,熔炼电压为30~38V。
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;其中,熔炼电流30~358KA,熔炼电压为35~42V。
6)熔炼完成后冷却到200℃以下出炉,避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷,得到Ti-6Al-4V改进型钛合金。
Claims (10)
1.一种Ti-6Al-4V改进型钛合金,其特征在于,该合金的化学成分按质量百分数计,包括5.8~6.8%的Al,3.8~4.6%的V,0.02~0.45%的Fe,0.17~0.26%的O,小于等于0.08%的C,小于等于0.05%的N,小于等于0.008%的H,其余为Ti。
2.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V改进型钛合金,其特征在于,该合金的化学成分按质量百分数计,包括5.8~6.8%的Al,3.8~4.6%的V,0.02~0.45%的Fe,0.17~0.26%的O,大于0且小于等于0.08%的C,大于0且小于等于0.05%的N,大于0且小于等于0.008%的H,其余为Ti。
3.根据权利要求1或2所述的Ti-6Al-4V改进型钛合金,其特征在于,所述该合金的原料为海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、纯金属Fe和Ti2O,或该合金的原料为海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、Ti-Fe中间合金和Ti2O。
4.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V改进型钛合金,其特征在于,所述该合金的室温力学性能为:初生α相含量≥30%,σb≥935N/mm2,σ0.2≥855N/mm2,δ5≥8%,ψ≥20%,aKU≥25J,HB(d)≥3.30mm;所述该合金的室温高周旋转弯曲疲劳性能指标为:加载应力为460N/mm2,循环周次≥2×106。
5.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V改进型钛合金,其特征在于,所述该合金的400℃力学性能指标为:初生α相含量≥30%,σb≥620N/mm2,δ5≥12%ψ≥40%,持久应力为570N/mm2,持久时间≥100h。
6.一种如权利要求3所述的Ti-6Al-4V改进型钛合金的加工方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)配料及电极压制:按照名义成分Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O将海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、纯金属Fe和Ti2O进行混料,或将海绵钛、Al-V中间合金、纯金属Al、Ti-Fe中间合金和Ti2O进行混料,然后通过压力机及模具将其压制为电极块;
2)电极制备:将电极组焊为长条状电极;
3)将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)熔炼完成后冷却到200℃以下出炉,得到Ti-6Al-4V改进型钛合金。
7.根据权利要求6所述的Ti-6Al-4V改进型钛合金的加工方法,其特征在于,所述步骤2)中组焊是通过真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊实现的。
8.根据权利要求6所述的Ti-6Al-4V改进型钛合金的加工方法,其特征在于,所述步骤3)中熔炼电流为5~20KA,熔炼电压为25~45V。
9.根据权利要求6所述的Ti-6Al-4V改进型钛合金的加工方法,其特征在于,所述步骤4)中熔炼电流5~25KA,熔炼电压为25~50V。
10.根据权利要求6所述的Ti-6Al-4V改进型钛合金的加工方法,其特征在于,所述步骤5)中熔炼电流6~35KA,熔炼电压为25~55V。
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