CN106854725B - 一种Ti2AlNb基合金及其铸锭的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ti2AlNb基合金,其各组成成分的原子百分比为Al:20%~25%,Nb:22%~27%,V:0.80%~2.0%,Mo:0.80%~2.0%,Zr:0.80%~2.0%,Si:0.10%~0.50%,余量为Ti,以上成分原子百分比之和为100%。本发明还公开了上述Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法。本发明通过Mo和Si同时加入显著提高了合金的拉伸强度,降低了合金的蠕变残余伸长量;Zr元素的加入改善了合金的蠕变性能;V元素的加入不仅可以提高合金的室温强度、塑形和抗蠕变能力,同时可以降低合金的密度。本发明Ti2AlNb基合金具有优异的抗氧化性能和高温蠕变性能。
Description
技术领域
本发明属于钛合金加工技术领域,具体涉及一种Ti2AlNb基合金,本发明还涉及上述Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法。
背景技术
随着航空航天工业的不断发展,对发动机热端部件用高温结构材料提出了进一步减重和提高高温服役性能的要求。Ti2AlNb基金属间化合物因具有密度小、比强度和比弹性模量高、高温抗蠕变及抗氧化能力强等优势,使其成为最具潜力的轻质高温结构材料,并在国内外得到了广泛研究。经过二十多年的发展,人们在Ti2AlNb基合金的成分设计、相结构和相关系,热加工工艺,显微组织与力学性能取得了较大的进展,但仍然存在着很多问题。首先,虽然现有的具有工程意义的Ti2AlNb基合金能够同时具备较好的室温和高温性能,但是当使用温度大于700℃,其蠕变性能严重下降,表明Ti2AlNb 基合金的发展仍不够成熟,其综合性能有待进一步提高,从而满足不断提出的性能要求。其次在Ti2AlNb基合金工程化制备过程中,由于合金中添加 Nb元素比重高,极易造成组织粗大和成分偏析,亟待有效解决工程化应用中所暴露出的问题;最后,作为航空发动机材料Ti2AlNb由于合金元素Nb 含量高,使其在700~800℃抗氧化能严重下降,因此800℃以上抗氧化性不足也是存在的最主要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种Ti2AlNb基合金。
本发明的另一目的是提供上述Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法。
本发明所采用的技术方案是,一种Ti2AlNb基合金,其各组成成分的原子百分比为Al:20%~25%,Nb:22%~27%,V:0.80%~2.0%,Mo:0.80%~ 2.0%,Zr:0.80%~2.0%,Si:0.10%~0.50%,余量为Ti,以上成分原子百分比之和为100%。
本发明所采用的另一技术方案是,一种Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1,压制电极块:
将0级海绵钛,NbTi中间合金、HZr中间合金、Al60Mo中间合金、Al55V 中间合金和Ti50Si中间合金混合均匀,压制成电极块;
步骤2,焊接电极:
将步骤1压制得到的电极块在等离子炉内焊接成自耗电极;
步骤3,铸锭熔炼:
将步骤2得到的电极置于真空自耗电弧炉中,经三次真空自耗电弧熔炼,即得到Ti-22Al-25Nb-Zr-Mo-V-Si合金铸锭。
本发明的特点还在于,
步骤1中各原料按照原子百分比:Al:20%~25%,Nb:22%~27%,V: 0.80%~2.0%,Mo:0.80%~2.0%,Zr:0.80%~2.0%,Si:0.10%~0.50%,余量为Ti,以上成分原子百分比之和为100%,进行配料。
第一次熔炼过程中漏气率控制在1.0Pa/min以下,熔炼电流13kA~ 16kA,稳弧电流为直流3.0A~12A,熔炼电压为34~37V,熔炼后冷却时间大于3.0小时。
第二次熔炼过程中漏气率控制在0.8Pa/min以下,熔炼电流14kA~ 18kA,稳弧电流为交流3.0~10A,熔炼电压选择34~37V,熔炼后冷却时间大于4小时。
第三次炼过程中漏气率控制在0.60Pa/min以下,熔炼电流16kA~20kA,稳弧电流为交流6.0~12A,熔炼电压选择34~37V,熔炼后冷却时间大于5 小时。
三次真空熔炼的坩埚规格依次为Φ360mm、Φ440mm、Φ520mm。
每次熔炼后将铸锭进行平头处理,然后掉头,进行下一次熔炼。
本发明的有益效果是,本发明通过在Ti2AlNb基合金中添加适量Mo,在不显著降低合金塑形的条件下,显著提高了合金的拉伸强度,降低了合金的蠕变残余伸长量,Mo和Si同时加入时效果更加明显;添加Zr元素改善了合金的蠕变性能,且Zr元素的添加对合金的室温强度和延伸率无影响;添加V元素不仅可以提高合金的室温强度、塑形和抗蠕变能力,同时可以降低合金的密度。最终得到了具有优异的抗氧化性能和高温蠕变性能的 Ti2AlNb基合金。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种Ti2AlNb基合金,其各组成成分的原子百分比为Al:20%~ 25%,Nb:22%~27%,V:0.80%~2.0%,Mo:0.80%~2.0%,Zr:0.80%~ 2.0%,Si:0.10%~0.50%,余量为Ti,以上成分原子百分比之和为100%。
上述一种Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1:按照原子百分比为Ti-22Al-25Nb-(0.8-2.0)Zr-(0.8-2.0)Mo- (0.8-2.0)V-(0.1-0.5)Si(at%)(即按照原子百分比为Al:20%~25%, Nb:22%~27%,V:0.80%~2.0%,Mo:0.80%~2.0%,Zr:0.80%~2.0%, Si:0.10%~0.50%,余量为Ti,以上成分原子百分比之和为100%)进行配料,合金的原材料选择0级海绵钛,NbTi中间合金、HZr中间合金、Al60Mo 中间、Al55V中间合金和Ti50Si中间合金;
步骤2:将步骤1选取的0级海绵钛和中间合金添加剂混合后进行电极块压制,压制之前对海绵钛进行挑料,确保原料质量,将挑好的原料混合均匀后在3000T油压机上压制成设计规格的电极块;
步骤3:将压制的电极块在等离子炉内焊接成自耗电极;
步骤4:一次熔炼采用Φ360mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在 1.0Pa/min以下,熔炼电流13kA~16kA,稳弧电流为直流3.0A~12A,熔炼电压为34V~37V,熔炼后冷却时间大于3.0小时,熔炼完成后在车床上做平头处理;
步骤5:将一次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼,采用Φ440mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在0.8Pa/min以下,熔炼电流14kA~18kA,稳弧电流为交流3.0A~10A,熔炼电压选择34V~37V,熔炼后冷却时间大于4小时。
步骤6:将二次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼,采用Φ520mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在0.60Pa/min以下,熔炼电流16kA~20kA,稳弧电流为交流6.0A~12A,熔炼电压选择34V~37V,熔炼后冷却时间大于5 小时。
本发明以Ti-22Al-25Nb合金为基体成分,在其中设计添加了V为 0.80%~2.0%、Mo为0.80%~2.0%、Zr为0.80%~2.0%,Si为0.10%~0.50%。以原子百分比将配比原料混合进行电极压制、自耗电极等离子焊接,多次真空熔炼,即制备出一种新型合金,该合金可显著提高抗氧化性能和高温蠕变性能。基于成分-组织-性能关系上的考虑,从合金成分设计角度,本发明 Ti2AlNb基合金,通过添加适量Mo在不显著降低合金塑形的条件下,会显著提高合金的拉伸强度,降低合金的蠕变残余伸长量,Mo和Si同时加入时效果更加明显。适量添加Zr元素可改善合金的蠕变性能,且Zr元素的添加对合金的室温强度和延伸率无影响。添加V元素不仅可以提高合金的室温强度、塑形和抗蠕变能力,同时可以降低合金的密度。
实施例1
步骤1:按照原子百分比为Ti-20Al-22Nb-0.8Zr-0.8Mo-0.8V-0.1Si(at%) 进行配料。合金的原材料选择0级海绵钛,NbTi中间合金、HZr中间合金、 Al60Mo中间、Al55V中间合金和Ti50Si中间合金。
步骤2:将步骤1选取的0级海绵钛和中间合金添加剂混合后进行电极块压制,压制之前对海绵钛进行挑料,确保原料质量,将挑好的原料混合均匀后在3000T油压机上压制成设计规格的电极块;
步骤3:将压制的电极块在等离子炉内焊接成自耗电极;
步骤4:一次熔炼采用Φ360mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在 1.0Pa/min以下,熔炼电流13kA,稳弧电流为直流3.0A,熔炼电压为34V,熔炼后冷却时间大于3.0小时,熔炼完成后在车床上做平头处理;
步骤5:将一次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼,采用Φ440mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在0.8Pa/min以下,熔炼电流14kA,稳弧电流为交流3.0A,熔炼电压选择34V,熔炼后冷却时间大于4小时。
步骤6:将二次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼,采用Φ520mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在0.60Pa/min以下,熔炼电流16kA,稳弧电流为交流6.0A,熔炼电压选择34V,熔炼后冷却时间大于5小时。
采用上述步骤设计并制备了成分均匀的铸锭,锻造棒材的氧化性能和高温蠕变性能较原先Ti2AlNb基合金Ti-22Al-25Nb显著提高。
实施例2
步骤1:按照原子百分比为Ti-22Al-25Nb-2.0Zr-2.0Mo-2.0V-0.5Si(at%) 进行配料。合金的原材料选择0级海绵钛,NbTi中间合金、HZr中间合金、 Al60Mo中间、Al55V中间合金和Ti50Si中间合金。
步骤2:将步骤1选取的0级海绵钛和中间合金添加剂混合后进行电极块压制,压制之前对海绵钛进行挑料,确保原料质量,将挑好的原料混合均匀后在3000T油压机上压制成设计规格的电极块;
步骤3:将压制的电极块在等离子炉内焊接成自耗电极;
步骤4:一次熔炼采用Φ360mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在 0.8Pa/min以下,熔炼电流14kA,稳弧电流为直流8.0A,熔炼电压为35V,熔炼后冷却时间大于3.0小时,熔炼完成后在车床上做平头处理;
步骤5:将一次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼,采用Φ440mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在0.7Pa/min以下,熔炼电流16kA,稳弧电流为交流9.0A,熔炼电压选择36V,熔炼后冷却时间大于4小时。
步骤6:将二次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼,采用Φ520mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在0.5Pa/min以下,熔炼电流18kA,稳弧电流为交流10A,熔炼电压选择35V,熔炼后冷却时间大于5小时。
采用上述步骤设计并制备了成分均匀的铸锭,锻造棒材的高温蠕变性能较原先Ti2AlNb基合金显著提高。
实施例3
步骤1:按照原子百分比为Ti-22Al-25Nb-1.5Zr-1.5Mo-1.5V-0.3Si(at%) 进行配料。合金的原材料选择0级海绵钛,NbTi中间合金、HZr中间合金、 Al60Mo中间、Al55V中间合金和Ti50Si中间合金。
步骤2:将步骤1选取的0级海绵钛和中间合金添加剂混合后进行电极块压制,压制之前对海绵钛进行挑料,确保原料质量,将挑好的原料混合均匀后在3000T油压机上压制成设计规格的电极块;
步骤3:将压制的电极块在等离子炉内焊接成自耗电极;
步骤4:一次熔炼采用Φ360mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在 1.0Pa/min以下,熔炼电流16kA,稳弧电流为直流12A,熔炼电压为37V,熔炼后冷却时间大于3.0小时,熔炼完成后在车床上做平头处理;
步骤5:将一次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼,采用Φ440mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在0.8Pa/min以下,熔炼电流18kA,稳弧电流为交流10A,熔炼电压选择37V,熔炼后冷却时间大于4小时。
步骤6:将二次熔炼后平头处理的铸锭掉头熔炼,采用Φ520mm的坩埚,在熔炼过程中漏气率控制在0.60Pa/min以下,熔炼电流20kA,稳弧电流为交流12A,熔炼电压选择37V,熔炼后冷却时间大于5小时。
采用上述步骤设计并制备了成分均匀的铸锭,锻造棒材的高温蠕变性能较原先Ti2AlNb基合金显著提高。
Claims (6)
1.一种Ti2AlNb基合金,其特征在于,其各组成成分的原子百分比为Al:20%~25%,Nb:22%~27%,V:0.80%~2.0%,Mo:0.80%~2.0%,Zr:0.80%~2.0%,Si:0.10%~0.50%,余量为Ti,以上成分原子百分比之和为100%;
所述Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法,具体包括以下步骤:
步骤1,压制电极块:
将0级海绵钛,NbTi中间合金、HZr中间合金、Al60Mo中间合金、Al55V中间合金和Ti50Si中间合金混合均匀,压制成电极块;各原料按照原子百分比:Al:20%~25%,Nb:22%~27%,V:0.80%~2.0%,Mo:0.80%~2.0%,Zr:0.80%~2.0%,Si:0.10%~0.50%,余量为Ti,以上成分原子百分比之和为100%,进行配料;
步骤2,焊接电极:
将步骤1压制得到的电极块在等离子炉内焊接成自耗电极;
步骤3,铸锭熔炼:
将步骤2得到的电极置于真空自耗电弧炉中,经三次真空自耗电弧熔炼,即得到Ti-22Al-25Nb-Zr-Mo-V-Si合金铸锭。
2.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb基合金,其特征在于,所述Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法中,第一次熔炼过程中漏气率控制在1.0Pa/min以下,熔炼电流13kA~16kA,稳弧电流为直流3.0A~12A,熔炼电压为34V~37V,熔炼后冷却时间大于3.0小时。
3.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb基合金,其特征在于,所述Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法中,第二次熔炼过程中漏气率控制在0.8Pa/min以下,熔炼电流14kA~18kA,稳弧电流为交流3.0A~10A,熔炼电压选择34V~37V,熔炼后冷却时间大于4小时。
4.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb基合金,其特征在于,所述Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法中,第三次炼过程中漏气率控制在0.60Pa/min以下,熔炼电流16kA~20kA,稳弧电流为交流6.0A~12A,熔炼电压选择34V~37V,熔炼后冷却时间大于5小时。
5.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb基合金,其特征在于,所述Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法中,三次真空熔炼的坩埚规格依次为Φ360mm、Φ440mm、Φ520mm。
6.根据权利要求1所述的一种Ti2AlNb基合金,其特征在于,所述Ti2AlNb基合金铸锭的制备方法中,每次熔炼后将铸锭进行平头处理,然后掉头,进行下一次熔炼。
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