CN104561656A - 一种高温钛合金 - Google Patents

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李娟�
黄旭
周毅
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Abstract

本发明是一种高温钛合金，该合金的化学成分及重量百分比为：Al：5.5％～7.5％，Sn：1.0％～3.0％，Zr+Hf：3.0％～6.0％，Mo：1.5％～3.5％，Nb：1.5％～4.5％，Si：0.3％～0.6％，C：0.05％～0.20％，余量为Ti，该合金中的Al当量范围为7.97％～9.80％。该合金中Al、Sn、Zr、O含量的控制应保证合金的Al当量在7.97％～9.80％范围内。所发明的合金通过添加Al、Sn、Mo、Zr、Hf及Si、C元素实现复合强化，提高合金的高温抗拉强度和高温大应力持久强度，通过添加较多的Nb元素改善合金室温韧性和塑性。该合金适合于650℃以上高温短时(30min～20h)应用。

Description

一种高温钛合金
技术领域
本发明是一种高温钛合金，属于钛合金领域，涉及一种高温短时应用的、高Al当量的高温钛合金材料，适合制造650℃以上短时(30min～20h)应用的高温结构件。
背景技术
钛合金具有高比强度，高比模量，良好的抗氧化、耐腐蚀等优点，被广泛用于制造飞机和发动机结构件，钛合金在飞机上的用量也成为衡量其先进程度的重要标志之一。随着航空发动机设计要求的提高，500℃～600℃高温钛合金已经在航空发动机上获得了应用，同时促进了新型高温钛合金材料的研发。表1为长时使用温度在500℃以上的一些典型高温钛合金牌号。
表1 典型的高温钛合金
国别/牌号 名义成分 使用温度
英国/IMI829 Ti‐5Al‐3.5Sn‐3Zr‐0.25Mo‐1Nb‐0.3Si 550℃
英国/IMI834 Ti‐5.8Al‐4Sn‐3.5Zr‐0.5Mo‐0.7Nb‐0.35Si‐0.06C 600℃
美国/Ti6242s Ti‐6Al‐2Sn‐4Zr‐2Mo‐0.1Si 520℃
美国/Ti1100 Ti‐6Al‐2.7Sn‐4Zr‐0.4Mo‐0.45Si 600℃
俄罗斯/BT25Y Ti‐6.5Al‐1.8Sn‐4Zr‐4Mo‐1W‐0.2Si 550℃
俄罗斯/BT18Y Ti‐5Al‐4Sn‐3.5Zr‐0.5Mo‐0.7Nb‐0.35Si 550℃～600℃
俄罗斯/BT36 Ti‐6.2Al‐2Sn‐3.6Zr‐0.7Mo‐5W‐0.15Si 600℃
中国/Ti60(早期) Ti‐5.8Al‐4.8Sn‐2Zr‐1Mo‐0.85Nd‐0.35Si 600℃
中国/Ti60(TA33) Ti‐5.8Al‐4Sn‐4Zr‐0.4Nb‐0.4Mo‐1Ta‐0.05C 600℃
中国/Ti600 Ti‐6Al‐2.8Sn‐4Zr‐0.5Mo‐0.1Y‐0.4Si 600℃
针对航空发动机应用而研发的这些高温钛合金都是以Ti‐Al‐Sn‐Zr‐Mo‐Si系合金为基础发展而来，通过进一步添加Nb、Ta等元素，提高高温强度，同时匹配室温塑性、韧性。如IMI834、BT18Y、Ti60合金添加了Nb元素，Ti60合金添加了比较贵、熔点比较高的Ta元素。考虑到用于航空发动机结构件，对钛合金的热稳定性能要求较高，550℃～600℃应用的高温钛合金对Al含量进行了适当控制，以避免和减少Ti3Al相生成；同时对强β稳定元素Mo的含量也做了控制，以减少高温热暴露后的塑性降低。
近几年，针对600℃以上应用，开发出一些含W的高温钛合金。如在Ti60基础上通过添加W，提高Ta含量而研制的Ti65合金，名义成分为Ti‐5.9Al‐4Sn‐3.5Zr‐0.3Mo‐0.3Nb‐2.0Ta‐1.0W‐0.4Si‐0.05C，合金化元素多达9种，Ta含量高达2％，W含量达到1％；CN201210374505公布的一种Ti‐Al‐Sn‐Zr‐Mo‐W‐Nb‐Si‐C多元合金，W含量为0.5％～1.5％；CN201210335424.4公布的一种Ti‐Al‐Sn‐Zr‐Mo‐W‐Si‐C多元合金，W含量为0.7％～1.5％；CN201110289274.3公布的一种Ti‐Al‐Sn‐Zr‐W‐Nb‐Si多元合金，W含量为0.8％～2.0％，合金设计者均是希望通过添加W元素提高合金的高温强度。由于W的熔点超过3400℃，密度达到19.3g/cm3，增大了铸锭成分均匀性控制的难度，同时，W元素的添加也非常困难，工艺控制不当即会造成成分偏析，甚至在铸锭中存在未完全熔化的W颗粒，造成整个铸锭报废。上述这些合金虽然大多是针对高温短时应用而开发的，但都尚未见到实际应用的报道。
高温短时航天结构件对轻质耐高温材料的需求日益迫切，需要开发出适合于650℃以上温度应用的高温钛合金材料，航天高温短时应用结构件要求材料不仅具有良好的高温强度、良好的热加工和焊接性能，更需要良好的抗氧化性能，特别是对一些需要保持外形完整性的高温结构件，材料高温抗氧化性能更为重要。在保证高温强度的同时，抗氧化性能提高，往往可以使材料的应用温度提高50℃～100℃，这样可以减少高温涂层的使用，对结构件减重和工艺简化均有意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好抗氧化性能的、适合于650℃～750℃高温短时(20h～30min)应用的高钛合金材料。该合金材料的化学成分及重量百分比为：Al：5.5％～7.5％，Sn：1.0％～3.0％，Zr+Hf：3.0％～6.0％，Mo：1.5％～3.5％，Nb：1.5％～4.5％，Si：0.3％～0.6％，C：0.05％～0.20％，余量为Ti，该合金中的Al当量范围为7.97％～9.80％。
本发明合金设计为Ti‐Al‐Sn‐Zr(Hf)‐Nb‐Mo‐Si‐C系，针对航天结构件重点在高温短时的应用特点，不需要考虑热稳定性能，所以，Al当量和Mo含量都可以控制在比较高的水平；该合金设计了较高Nb含量，配合Mo元素提高高温强度性能，匹配室温塑性和韧性，减少焊接脆性倾向性；同时，该合金引入了Hf元素，以进一步提高合金的高温抗氧化性能。
该合金适合于制造650℃以上航空、航天飞行器高温应用的蒙皮、舱段及骨架等结构，具有非常好的减重效果。
Al为非常有效的强化元素，Al含量在5.5％～7.5％范围，对强化α相效果明显，同时允许少量生成Ti3Al相，进一步提高强化效果；
Sn既能强化α相，也能强化β相，控制Sn含量在1％～3％，在配合Al达到强化目的的同时，控制Sn含量不超过3％主要是为了减少材料的焊后脆性；
Zr为较弱的α稳定元素，强化效果比Sn略弱，但不易引起脆性，既能强化α相，也能强化β相，控制其范围在3％～6％，不超过6％的限制主要是为了控制Ti3Al相的过多产生；
Nb为弱的β稳定元素，强化作用较小，与Mo配合使用既提高高温强度和持久性能，同时改善合金室温塑性和韧性，改善焊接性能，控制Nb含量在1.5％～4.5％；
Si的作用是通过引入Ti5Si3相进一步提高该合金高温大应力持久性能；
C的作用是提高高温强度，微量添加即效果明显，同时，还有一定的净化晶界的作用，通过生成Ti(CO)相，收集晶界处的氧，对改善焊接接头塑性都有利。
Hf元素的是提高合金抗氧化性能的主要元素，不同于其它高Zr含量的高温钛合金，添加少量的Hf替代部分Zr，抵消因添加较多Zr元素带来的对抗氧化性能的不利影响，考虑到控制密度和成本，Hf的添加量不超过1.5％；
Mo元素作为强β稳定元素，强化效果非常明显，特别对提高高温大应力持久和蠕变性能有利，控制Mo含量在1.5％～3.5％，上限控制在3.5％主要是避免α/β转变温度降低过多，影响热加工性能。通常近β型钛合金中Mo元素含量较高，这些合金有一个显著特点即铸锭的β晶粒非常细；而航空发动机用高温钛合金中，由于有热稳定性的要求，Mo元素含量一般控制在比较低的水平，如新型600℃高温钛合金的Mo含量均没有超过0.5％。而本发明技术方案中，针对高温短时结构件的使用特点，可以不考虑热稳定性能，所以选择了更高的Mo含量，以同时达到提高高温强度，细化β晶粒的作用，有利于铸锭的开坯锻造。
与现有高温钛合金相比，本发明有如下有益效果：
所发明的Ti‐Al‐Sn‐Zr(Hf)‐Nb‐Mo‐Si‐C系高温钛合金具有比较高的Al当量，以保证合金良好的高温强度；添加较多的Mo元素，以提高高温大应力持久性能；添加较多的Nb元素，以保证良好的室温塑性和韧性，改善高温钛合金的可焊性；通过少量添加Hf替代Zr，提高合金的抗氧化性能。该合金适合于锻造成形和焊接，可用于制造650℃以上高温短时应用的承力构件。而且不含W、Ta等高熔点和贵重元素，更适合于工业化生产条件下的铸锭成分控制和合金成本控制。
具体实施方式
结合实施例对本发明做详细描述：
实施例1～6
使用真空自耗电弧熔炼炉，按表1给出的配料成分制备了20kg铸锭，氧含量0.08％，经锻造和轧制后得到的棒材，棒材经热处理后测试了拉伸和持久性能，见表2，可以看出高Al当量对提高抗拉强度作用显著；高Mo含量对提高高温持久性能有利；高Nb含量对改善室温塑性有利；提高C含量对提高持久性能有利，但降低室温延伸率。
表1 设计的20kg铸锭配料成分
序号 配料成分 Al当量，％
1 Ti‐5.5Al‐3Sn‐4Zr‐1Hf‐3.5Mo‐3.5Nb‐0.4Si‐0.06C 7.97
2 Ti‐6.8Al‐2Sn‐4Zr‐0.04Hf‐2.5Mo‐2.5Nb‐0.4Si‐0.06C 8.94
3 Ti‐7.5Al‐2Sn‐4Zr‐0.04Hf‐1.5Mo‐2.5Nb‐0.4Si‐0.06C 9.63
4 Ti‐6.8Al‐2Sn‐4Zr‐0.04Hf‐1.5Mo‐2.5Nb‐0.4Si‐0.06C 8.94
5 Ti‐6.8Al‐2Sn‐4Zr‐0.04Hf‐1.5Mo‐4.5Nb‐0.4Si‐0.06C 8.94
6 Ti‐6.8Al‐2Sn‐4Zr‐0.04Hf‐1.5Mo‐2.5Nb‐0.4Si‐0.15C 8.94
表2 不同成分棒材的力学性能
实施例7～10
利用非自耗真空炉，熔炼了4个成分的纽扣锭，配料重量为50g，分别制备了3×10×2mm的试片，对比了650℃/100h热暴露后的氧化增重，见表3，随Hf含量的增加，氧化增重量减少，而且添加0.03％Hf即已经显示出提高抗氧化性能的作用。
表3 Hf含量对合金抗氧化性能的影响
序号 配料成分 650℃/200h氧化增重，mg/cm2
7 Ti‐6.8Al‐2Sn‐4Zr‐2.0Mo‐2.5Nb‐0.4Si‐0.06C 0.267
8 Ti‐6.8Al‐2Sn‐4Zr‐0.03Hf‐2.0Mo‐2.5Nb‐0.4Si‐0.06C 0.245
9 Ti‐6.8Al‐2Sn‐4Zr‐1.0Hf‐2.0Mo‐2.5Nb‐0.4Si‐0.06C 0.204
10 Ti‐6.8Al‐2Sn‐4Zr‐1.5Hf‐2.0Mo‐2.5Nb‐0.4Si‐0.06C 0.196

Claims (3)

1.一种高温钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al：5.5％～7.5％，Sn：1.0％～3.0％，Zr+Hf：3.0％～6.0％，Mo：1.5％～3.5％，Nb：1.5％～4.5％，Si：0.3％～0.6％，C：0.05％～0.20％，余量为Ti，该合金中的Al当量范围为7.97％～9.80％。
2.根据权利要求1所述的高温钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al：6.0％～7.0％，Sn：1.0％～2.5％，Zr+Hf：3.5％～4.5％，Mo：2.0％～3.0％，Nb：2.0％～3.5％，Si：0.35％～0.55％，C：0.05％～0.1％，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的高温钛合金，其特征在于：该合金的化学成分及重量百分比为：Al：6.0％～7.0％，Sn：1.0％～2.5％，Zr：3.5～4.0％，Hf：0.03％～0.1％，Mo：2.0～2.5％，Nb：2.0～2.5％，Si：0.4％和C：0.06％，Ti为余量。
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