CN107043870A - 一种高Si含量高温钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高Si含量高温钛合金及其制备方法，该钛合金中Si含量大于1.0%、小于1.5%。该钛合金的制备方法是先采用等离子旋转电极雾化法制备出氧含量<0.1%的高品质钛合金粉末，再采用热等静压法对制得的粉末进行成形固结，然后对固结形成的钛合金样品进行等温锻造并后续热处理，其中热等静压烧结温度：920℃≤Ts≤相变温度，升温速率：10～30℃/min，烧结保温时间：3～4小时，烧结压力：120～140MPa，等温锻造的温度为相变点以下30～50℃，总变形量为40～50%。本发明的制备方法简单，工艺易控制，制备的钛合金综合力学性能优异，具有良好的推广应用前景，特别适用于制造使用温度为600℃的钛合金结构件。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体是涉及一种适合制造使用温度为600℃的钛合金结构件的Si含量大于1.0%、小于1.5%的高Si含量高温钛合金及其制备方法。
背景技术
钛合金具有密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀性好等优点，在航空航天领域中获得了广泛的应用。高温钛合金是钛合金的主要发展方向之一。它主要用做航空发动机的压气机盘和叶片机匣，以减轻发动机质量，提高推重比。此外，超声、高超声速巡航弹、可重复使用运载器以及亚轨道重复使用跨大气层飞行器对高温钛合金的用量需求越来越大。
随着航空航天事业的发展，高温钛合金的使用温度要求逐步提高。已经由20世纪50年代的400℃提高到目前的600℃。目前，国际上使用温度达到600℃的高温钛合金主要有: 美国的Ti-1100，英国的IMI834，俄罗斯的BT36等。这些钛合金都是Ti-Al-Si-Zr-Mo-Sn体系，其中Si含量均少于0.5%。目前，随着航空航天工业的发展，特别是超音速飞行器的出现，对关键部件材料的耐高温要求不断提高。Si的加入能提高钛合金的高温强度和蠕变性能，但Si的含量超过其在α-Ti中的固溶度时(0.4%)，采用传统铸造方法，会形成较多的硅化物，且硅化物在基体晶界上析出，导致合金塑性降低。
研究发现Ti-Si系合金的机械特性与Si含量以及硅化物的形貌和分散有关系。粉末冶金技术相比传统铸造技术，可制备晶粒细小，组织和性能更均匀的钛合金。因此，若能采用粉末冶金技术来成形具有较高Si含量的高温钛合金，通过成分设计和工艺优化，从而在基体中形成细小、弥散分布的硅化物，相比铸造技术，可以提高其塑性，从而改善其综合力学性能。至今，尚无采用粉末冶金技术制备高Si含量高温钛合金的相关文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，通过合理组分配比及其粉末冶金工艺的优化，提供一种Si含量大于1.0%、小于1.5%的高Si含量高温钛合金及其制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高Si含量高温钛合金，其特点是由以下质量百分比的成分组成：Al：5～8wt%，Si：1.0～1.5wt%，Zr：1.5～2wt%，Mo：0.4～1.2wt%，Sn：2～3wt%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
本发明所述的高Si含量高温钛合金的制备方法，其特点是：包括制粉、成形固结、热变形加工和热处理，具体步骤如下：
步骤一：高品质钛合金粉末的制备
首先按以下元素及其质量百分比用量进行配料：Al：5～8wt%，Si：1.0～1.5wt%，Zr：1.5～2wt%，Mo：0.4～1.2wt%，Sn：2～3wt%，余量为Ti；然后采用真空自耗电弧熔炼法制备出直径为50～75mm的棒料，并利用制得的棒料，采用等离子旋转电极雾化法制备出氧含量<0.1%的高品质钛合金粉末，粉末粒径为50～300μm；
步骤二：热等静压法烧结钛合金粉末
采用热等静压法将制备的高品质钛合金粉末进行烧结，精确调控烧结参数，热等静压工艺条件如下：
烧结温度Ts：920℃≤Ts≤相变温度
升温速率：10～30℃/min
烧结保温时间：3～4小时
烧结压力：120～140MPa；
步骤三：将烧结形成的钛合金样品进行等温锻造
等温锻造的温度为相变点以下30～50℃，总变形量为40～50%，锻造后在750～800℃保温2～3小时，再采用相同工艺进行一次等温锻造；
步骤四：依据常规钛合金的标准热处理工艺制度进行热处理，制得高Si含量高温钛合金。
进一步地，上述步骤二中，烧结温度Ts的范围为：920℃≤Ts≤相变温度-20℃。上述步骤三中，等温锻造的总变形量为50%。
本发明合金体系为Ti-Al-Si-Zr-Mo-Sn，Si含量为1.0～1.5%。合金设计遵循以下原则：在合金化设计时需限制Al和Sn等α稳定元素的含量在一定范围内。Sn能够显著的提高合金的热强性，作为高温钛合金的合金化元素，Sn在提高合金高温强度的同时不会影响钛合金的室温塑性。Mo含量的增加能够提高高温钛合金的工艺塑性，合金中硅化物的析出速度也会加快。为了最大限度地提高钛合金的高温性能，同时保证良好的热稳定性，采用多元复合强化的合金化方式，即在Ti基体中加入较高含量的Al，Sn，Zr，即得到较高的铝当量[Al]eq，以抑制基体中硅化物的过量沉淀析出，防止恶化塑性和应力腐蚀性能。同时，尽量减少对蠕变有害的β稳定元素如Mo等的含量，即保持较低的钼当量[Mo]eq。对于在600℃下使用的钛合金，为了实现最佳的力学性能匹配，应遵循当量准则是：[Al]eq控制在8.5～9%，[Mo]eq控制在0.5%～1%。
针对此类高温钛合金，本发明将粉末冶金和等温锻造技术结合，发展出一种新的近净成形工艺。相对于传统的铸锻钛合金制备工艺，该制备方法采用粉末冶金的工艺制备钛合金，能够节省大量贵重的原材料，降低制造成本。采用热等静压法烧结高品质钛合金粉末，可得到致密度达到99.8%的粉末钛合金。后续对烧结形成的钛合金样品进行等温锻造，一方面可闭合粉末钛合金内部细孔，提高其致密度，另一方面可破碎热等静压烧结形成的较粗大硅化物，并均匀分布在基体中。一次等温锻造后在再结晶温度区间进行保温，可得到等轴晶，有助于粉末钛合金获得更好的性能。
本发明制备的高温钛合金在室温和600℃均具备良好抗拉强度及延伸率，强度超过目前国内外常用600℃高温钛合金如Ti-1100，IMI834，BT36等，能够满足航天器对高温钛合金的要求。在室温，其抗拉强度可达1300MPa，延伸率达7%。在600℃条件下，其抗拉强度可达到780MPa，延伸率为20%。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为实施例1中热等静压烧结后钛合金扫描电镜照片。
图2为实施例1中等温锻造后粉末钛合金扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明所述的高Si含量高温钛合金，由以下质量百分比的成分组成：Al：5～8wt%，Si：1.0～1.5wt%，Zr：1.5～2wt%，Mo：0.4～1.2wt%，Sn：2～3wt%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
下面通过具体的制备方法对本发明作进一步的说明。
实施例1：
按以下元素及其质量百分比用量进行配料：Al:6.5%，Si:1.4%，Zr:2%，Mo:0.5%，Sn:2%，余量为Ti及不可避免的杂质元素；然后采用真空自耗电弧熔炼法制备出棒料，并利用制得的棒料，采用等离子旋转电极雾化法制备出氧含量<0.1%的高品质钛合金粉末；
采用热等静压法将制备的高品质钛合金粉末进行烧结，热等静压工艺条件如下：
烧结温度Ts：Ts=980℃
升温速率：30℃/min
烧结保温时间：4小时
烧结压力：120MPa；
将烧结形成的钛合金样品进行等温锻造，等温锻造的温度为940℃，总变形量为50%，锻造后在780℃保温2小时，再采用相同工艺进行一次等温锻造；
等温锻造后采用热处理为：850℃×2h，炉冷+750℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷；获得高Si含量高温钛合金。
实施例2：
按以下元素及其质量百分比用量进行配料：Al:5%，Si:1.1%，Zr:2%，Mo:1.0%，Sn:2.5%，余量为Ti及不可避免的杂质元素；然后采用真空自耗电弧熔炼法制备出棒料，并利用制得的棒料，采用等离子旋转电极雾化法制备出氧含量<0.1%的高品质钛合金粉末；
采用热等静压法将制备的高品质钛合金粉末进行烧结，热等静压工艺条件如下：
烧结温度Ts：Ts=960℃
升温速率：30℃/min
烧结保温时间：3.5小时
烧结压力：140MPa；
将烧结形成的钛合金样品进行等温锻造，等温锻造的温度为930℃，总变形量为50%，锻造后在800℃保温2小时，再采用相同工艺进行一次等温锻造；
等温锻造后采用热处理为：940℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷；获得高Si含量高温钛合金。
实施例3：
按以下元素及其质量百分比用量进行配料：Al:7%，Si:1.2%，Zr:2%，Mo:1.0%，Sn:2%，余量为Ti及不可避免的杂质元素；然后采用真空自耗电弧熔炼法制备出棒料，并利用制得的棒料，采用等离子旋转电极雾化法制备出氧含量<0.1%的高品质钛合金粉末；
采用热等静压法将制备的高品质钛合金粉末进行烧结，热等静压工艺条件如下：
烧结温度Ts：Ts =960℃
升温速率：20℃/min
烧结保温时间：4小时
烧结压力：120MPa；
将烧结形成的钛合金样品进行等温锻造，等温锻造的温度为940℃，总变形量为50%，锻造后在760℃保温3小时，再采用相同工艺进行一次等温锻造；
等温锻造后采用热处理为：910℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷；获得高Si含量高温钛合金。
实施例1～3获得的高温钛合金材料的室温和600℃高温拉伸力学性能见下表所示：
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (4)
1.一种高Si含量高温钛合金，其特征在于由以下质量百分比的成分组成：Al：5～8wt%，Si：1.0～1.5wt%，Zr：1.5～2wt%，Mo：0.4～1.2wt%，Sn：2～3wt%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
2.一种高Si含量高温钛合金的制备方法，该方法用于制备上述权利要求1所述高Si含量高温钛合金，其特征在于：包括制粉、成形固结、热变形加工和热处理，具体步骤如下：
步骤一：高品质钛合金粉末的制备
首先按以下元素及其质量百分比用量进行配料：Al：5～8wt%，Si：1.0～1.5wt%，Zr：1.5～2wt%，Mo：0.4～1.2wt%，Sn：2～3wt%，余量为Ti；然后采用真空自耗电弧熔炼法制备出棒料，并利用制得的棒料，采用等离子旋转电极雾化法制备出氧含量<0.1%的高品质钛合金粉末；
步骤二：热等静压法烧结钛合金粉末
采用热等静压法将制备的高品质钛合金粉末进行烧结，精确调控烧结参数，热等静压工艺条件如下：
烧结温度Ts：920℃≤Ts≤相变温度
升温速率：10～30℃/min
烧结保温时间：3～4小时
烧结压力：120～140MPa；
步骤三：将烧结形成的钛合金样品进行等温锻造
等温锻造的温度为相变点以下30～50℃，总变形量为40～50%，锻造后在750～800℃保温2～3小时，再采用相同工艺进行一次等温锻造；
步骤四：依据常规钛合金的标准热处理工艺制度进行热处理，制得高Si含量高温钛合金。
3.根据权利要求2所述高Si含量高温钛合金的制备方法，其特征在于：上述步骤二中，烧结温度Ts的范围为：920℃≤Ts≤相变温度-20℃。
4.根据权利要求2所述高Si含量高温钛合金的制备方法，其特征在于：上述步骤三中，等温锻造的总变形量为50%。
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