CN106048305A - 一种综合性能优异的高温钛合金棒材及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种综合性能优异的高温钛合金棒材及其制备工艺，属于钛基合金技术领域。该合金成分的重量百分比组成：Al:5.4‑5.6％,Sn:3.0‑3.3％，Zr:5.3‑5.5％，Mo:0.5‑0.6％，Nb:0.8‑1％，Si:0.4‑0.5％，Ta：0.9‑1.0％，Er:0.1‑0.3％，余量为Ti和不可避免杂质。采用锻造工艺制备合金棒材，锻造的开坯温度在1100℃～1150℃，最终精锻温度分别在970℃～1000℃和1000℃～1050℃。本发明提供了一种室温、高温综合性能优异的新型高温钛合金，展现出优异的服役性能并进一步提高了高温钛合金的使用温度，在工程领域具有广阔的应用前景。

Description

一种综合性能优异的高温钛合金棒材及其制备工艺
技术领域
本发明属于钛基合金技术领域，具体涉及到一种有潜力应用到航空发动机上并且可在650℃使用的钛基合金。其特点在于室温、高温综合性能优异，特别是室温韧性和高温强度尤为突出。
背景技术
高温钛合金具有优异的热强性、低的密度和良好的耐蚀性，在航空航天领域多用来制造航空发动机的压气盘、机匣等。高温钛合金的使用温度从最初的400℃发展到600℃，国外600℃高温钛合金如英国的IMI834、美国的Ti-1100、已用于航空发动机上，显著地提高了发动机的性能，俄罗斯的BT36处在应用研究阶段。我国研制的600℃高温钛合金Ti60和Ti600在强度上也已达到国际先进水平。目前，进一步提高高温钛合金的使用温度，并使其强韧性得到良好匹配成为研究的重点。下表为国内外典型600℃高温钛合金名义成分。
高温钛合金主要是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α钛合金。这类合金具有较好的高温抗蠕变能力，良好的热稳定性。其热强性是建立在α固溶强化基础上，是最适合用于500℃以上长时间工作的合金。同时，这类合金中还经常加入少量的β稳定元素，是为了减缓α相的形成，从而允许在不出现脆化的情况下，提高合金的铝当量。同时，加入少量的β稳定元素还可以改善工艺塑性。
高温钛合金的研制过程中所面对的主要研究目标为：通过合金化设计、热加工及热处理使合金达到所要求的热强性和热稳定性，但是两者却是相互矛盾的，在600-650℃以上温度，两者的矛盾则更加突出。从目前来看，高温钛合金热强性基本达标，但是热稳定性在一般情况下不能很好满足要求，表现为钛合金在高温环境的使用过程中性能明显降低，其原因在于：第一，追求强度而采取的高合金化，使合金长时间工作后脆性相析出机率增大，导致组织不稳定；第二，高温下氧的渗入，在合金表面形成一个富氧层，导致了合金表面的不稳定。因此，高温钛合金的重要发展趋势是采用合理的合金化手段，优化现有合金成分，提高组织均匀性，以及通过优化热加工工艺来实现组织的精确控制等，提高高温钛合金的热稳定性，获得综合性能优异的高温钛合金。
发明内容
本发明目的是通过添加新的合金元素，优化合金成分，设计研制出一种可在650℃下工作的具有较高的热强性和较好的热稳定性的高温钛合金，并制备出综合性能优异的合金棒材。
一种高温钛合金，该合金包括Ti,Al,Sn，Zr，Mo和Si，其特征在于:该合金中还同时含有Nb，Ta，Er三种元素，合金中各成分及其重量百分比为:Al:5.4-5.6％,Sn:3.0-3.3％，Zr:5.3-5.5％，Mo:0.5-0.6％，Nb:0.8-1％，Si:0.4-0.5％，Ta：0.9-1.0％，Er:0.1-0.3％，余量为Ti。
本发明所研制出的650℃高温钛合金，包括Ti,Al,Sn,Zr,Mo,Nb,Si,Ta，Er九种元素，合金中添加β相稳定元素Ta，同时还加入了稀土元素Er。该合金元素组成特点上与已有的高温钛合金的成分的差别在于，已有的高温钛合金的元素组成上并未出现过同时加入三种β相稳定元素和一种稀土元素，本发明中加入了Mo、Nb、Ta三种β相稳定元素并且还加入了一定量的稀土元素Er，尤其是合金中首次提出Er和Ta的复合添加。
一种综合性能优异的高温钛合金棒材的制备工艺：
1)以海绵钛、高纯铝、海绵锆、硅粒以及Ti-Nb、Ti-Sn、Ti-Ta、Al-Mo、Al-Er中间合金为原材料，进行称重、包合金包并压制成型；
2)熔炼，优选采用设备为真空自耗电极电弧炉，优选电流为2600-5000A，稳弧3A,经过三次重熔获得合金铸锭；
熔炼后的铸锭组织为钛合金中典型的魏氏组织，晶粒尺寸较大，在原始的β晶粒内形成较大的束集，同一束集内有较多α片彼此平行并形成同一取向。
3)锻造工艺，锻造的开坯温度为1100℃～1150℃(优选1150℃)，精锻工艺分为两种，温度分别为1000℃和1050℃，空冷，得产品；如开坯锻造后获得截面边长为50mm的方棒，精锻后获得直径为Φ30mm的圆棒。
精锻工艺1000℃后：锻造后原始β晶粒完全破碎，片状α发生扭曲、碎化，部分片状α发生再结晶转变为等轴状α相，而没有发生再结晶的α相呈现杆状或纤维状。
精锻工艺1050℃后：组织中晶粒得到明显细化，β晶粒保持原始粗大的多边形形状，同时部分β相发生再结晶，优先出现在晶粒的边界。
本发明的优点：与现有高温钛合金的研究集中在600℃这一服役温度相比，本发明致力于650℃高温钛合金的开发，同时制备出的合金具有优异的服役性能，具体体现在室温、高温综合性能优异，因此在工程领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1铸态合金金相显微组织。
图2合金DSC曲线。
图3锻态合金金相显微组织。
a)1000℃锻造组织；b)1050℃锻造组织。
图4锻态合金室温拉伸应力应变曲线。
图5锻态合金650℃高温拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
本发明中的高温钛钛合金特征在于：合金中各成分及其重量百分比为:Al:5.4-5.6％，Sn:3.0-3.3％，Zr:5.3-5.5％，Mo:0.5-0.6％，Nb:0.8-1％，Si:0.4-0.5％，Ta：0.9-1.0％，Er:0.1-0.3％，余量为Ti。
高温钛合金的制备：原材料为海绵钛、高纯铝、海绵锆、硅粒以及Ti-Nb、Ti-Sn、Ti-Ta、Al-Mo、Al-Er中间合金，按成份配比配料且混合均匀包合金包，并在压力机上压制成电极。电极在真空自耗电极电弧炉上熔炼，进行三次重熔获得钛合金铸锭，将铸锭去氧化皮、去头尾。
熔炼后的合金铸锭组织见附图1，可以看到所得铸锭组织为钛合金中典型的魏氏组织，晶粒尺寸较大，在原始的β晶粒内形成较大的束集，同一束集内有较多α片彼此平行并形成同一取向。
为了确定合金锻造工艺，本发明采用DSC方法测试了合金的β转变温度，结果见附图2。
经开坯锻造、精锻最终锻造成棒材。开坯加热温度在1100℃～1150℃，最终精锻温度分别在1000℃(在1000℃开始在空气中锻造，然后在低于970℃的时候在回炉，如此往复锻造，使锻造温度始终在1000℃左右)和1050℃(在1050℃开始在空气中锻造，然后在低于1000℃的时候在回炉，如此往复锻造，使锻造温度始终在1050℃左右)。
实施例1
按名义成分Ti-6.0Al-3.0Sn-5.0Zr-0.5Mo-1.0Ta-0.4Si-0.2Er(重量百分比，％)配制合金原料，原材料使用海绵钛、高纯铝、海绵锆、硅粒以及Ti-Nb、Ti-Sn、Ti-Ta、Al-Mo、Al-Er中间合金，按成份配比配料且混合均匀包合金包，并在压力机上压制成电极。电极在真空自耗电极电弧炉上熔炼，进行三次重熔获得钛合金铸锭，铸锭经扒皮处理后，涂抹玻璃防护润滑剂，防止合金高温氧化。在1150℃开坯锻造，开坯锻造后获得截面边长为50mm的方棒，随后在1000℃下进行多火次墩拔以细化组织，最后精锻成直径为Φ30mm的圆棒。
精锻后所得到的组织见附图3a，从中可以看到，锻造后原始β晶粒完全破碎，片状α发生扭曲、碎化，部分片状α发生再结晶转变为等轴状α相，而没有发生再结晶的α相呈现杆状或纤维状。
精锻后锻态合金室温力学性能：抗拉强度为1025MPa，屈服强度为905MPa，延伸率为14.0％，断面收缩率20.6％。(如附表1说明)
精锻后锻态合金650℃高温力学性能：抗拉强度为649MPa，屈服强度为542MPa，延伸率为16.0％，断面收缩率43.5％。(如附表2说明)
精锻后锻态合金室温拉伸应力应变曲线见附图4。
精锻后锻态合金650℃高温拉伸应力应变曲线见附图5。
实施例2
按名义成分Ti-6.0Al-3.0Sn-5.0Zr-0.5Mo-1.0Ta-0.4Si-0.2Er(重量百分比，％)配制合金原料，原材料使用海绵钛、高纯铝、海绵锆、硅粒以及Ti-Nb、Ti-Sn、Ti-Ta、Al-Mo、Al-Er中间合金，按成份配比配料且混合均匀包合金包，并在压力机上压制成电极。电极在真空自耗电极电弧炉上熔炼，进行三次重熔获得钛合金铸锭，铸锭经扒皮处理后，涂抹玻璃防护润滑剂，防止合金高温氧化。在1150℃开坯锻造，开坯锻造后获得截面边长为50mm的方棒，随后在1050℃下进行多火次墩拔以细化组织，最后精锻成直径为Φ30mm的圆棒。
精锻后所得到的组织见附图3b，从中可以看到，组织中晶粒得到明显细化，β晶粒保持原始粗大的多边形形状，同时部分β相发生再结晶，优先出现在晶粒的边界。
精锻后锻态合金室温力学性能：抗拉强度为1035MPa，屈服强度为910MPa，延伸率为12.5％，断面收缩率13.3％。(如附表1说明)
精锻后锻态合金650℃高温力学性能：抗拉强度为703MPa，屈服强度为584MPa，延伸率为11.5％，断面收缩率33.0％。(如附表2说明)
精锻后锻态合金室温拉伸应力应变曲线见附图4。
精锻后锻态合金650℃高温拉伸应力应变曲线见附图5。
表1锻态合金的室温拉伸性能
合金 σb/MPa σs/MPa δ/％ ψ/％
实施例1 1025 905 14.0 20.61
实施例2 1035 910 12.5 13.26
表2锻态合金的650℃高温拉伸性能

Claims (7)

1.一种高温钛合金，该合金包括Ti,Al,Sn，Zr，Mo和Si，其特征在于:该合金中还同时含有Nb，Ta，Er三种元素，合金中各成分及其重量百分比为:Al:5.4-5.6％,Sn:3.0-3.3％，Zr:5.3-5.5％，Mo:0.5-0.6％，Nb:0.8-1％，Si:0.4-0.5％，Ta：0.9-1.0％，Er:0.1-0.3％，余量为Ti。
2.权利要求1所述的一种高温钛合金棒材的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1)以海绵钛、高纯铝、海绵锆、硅粒以及Ti-Nb、Ti-Sn、Ti-Ta、Al-Mo、Al-Er中间合金为原材料，进行称重、包合金包并压制成型；
2)熔炼获得合金铸锭；
3)锻造工艺，锻造的开坯温度为1100℃～1150℃，精锻工艺分为两种，温度分别为1000℃和1050℃，空冷，得产品。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，步骤2)采用设备为真空自耗电极电弧炉，电流为2600-5000A，稳弧3A,经过三次重熔获得合金铸锭。
4.按照权利要求2的方法，其特征在于，步骤2)熔炼后的铸锭组织为钛合金中典型的魏氏组织，晶粒尺寸较大，在原始的β晶粒内形成较大的束集，同一束集内有较多α片彼此平行并形成同一取向。
5.按照权利要求2的方法，其特征在于，精锻工艺1000℃后：锻造后原始β晶粒完全破碎，片状α发生扭曲、碎化，部分片状α发生再结晶转变为等轴状α相，而没有发生再结晶的α相呈现杆状或纤维状；
精锻工艺1050℃后：组织中晶粒得到明显细化，β晶粒保持原始粗大的多边形形状，同时部分β相发生再结晶，优先出现在晶粒的边界。
6.按照权利要求2的方法，其特征在于，精锻温度为1000℃后，
锻态合金室温力学性能：抗拉强度为1025MPa，屈服强度为905MPa，延伸率为14.0％，断面收缩率20.6％；
锻态合金650℃高温力学性能：抗拉强度为649MPa，屈服强度为542MPa，延伸率为16.0％，断面收缩率43.5％。
7.按照权利要求2的方法，其特征在于，精锻温度为1050℃后，
锻态合金室温力学性能：抗拉强度为1035MPa，屈服强度为910MPa，延伸率为12.5％，断面收缩率13.3％；
锻态合金650℃高温力学性能：抗拉强度为703MPa，屈服强度为584MPa，延伸率为11.5％，断面收缩率33.0％。
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