CN107304464A - 一种改善钛合金成分均匀性的三元合金、其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

一种改善钛合金成分均匀性的三元合金、其制备方法和用途。本发明涉及一种改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金其基本组成为Si：5～6％；Mo：55～60％；余量为Al。同时还提供了该三元中间合金的制备方法和用途。该三元中间合金适合作为高强高温钛合金TC11的原材料使用，和其它的三元合金相比，提高了Si的重量百分比含量、缩小了高熔点元素Mo的成分范围，使得该三元合金的熔炼过程更可控制、冶炼后铸态块状的破碎性更好，可以得到颗粒度≤1mm的粉末状产品，可有效地提高TC11合金中主要元素Si、Mo、Al的成分均匀性，降低铸锭熔炼过程中高熔点元素Mo形成高密度夹杂偏析缺陷的概率，保证TC11钛合金铸锭和钛材的成分均匀性。

Description

一种改善钛合金成分均匀性的三元合金、其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种钛合金，具体涉及一种TC11钛合金以及该钛合金的制备方法。
背景技术
TC11钛合金是一种高温、高强的新型金属材料，含85％～90％钛，其余为铝Al、钼Mo、硅Si、O等少量杂质，它具有比重轻(约4.5g/cm2，钢铁为7.8g/cm2)、耐腐蚀、强度高、塑性好、工作温度可以高达450℃～500℃(高于一般的钛合金材料)等诸多优点，因此被广泛应用在发动机、叶片、导弹等关键零部件。
近几年，随着国防工业的迅速发展，TC11凭借其优良的综合性能，被作为钛合金战略材料之一，越来越多地使用在航空航天武器等领域，由于使用环境的苛刻，对TC11钛合金化学成分均匀性、纯净度、材质等方面也提出了更高的要求。
TC11钛合金基本生产工艺流程如下：(1)钛电极制备：将合金原材料(铝Al、钼Mo、硅Si、锆Zr等单元或多元合金)，以一定的形式、一定的比例与海绵钛(合金原材料)混合均匀(保证钛电极的成分均匀)后，按一定的方法压制成所需的钛电极形状。(2)熔炼：钛合金一般采用真空自耗熔炼(国外先进国家也有采用电子束或等离子冷床熔炼方法)，若干次真空自耗成φ580或以上的成品锭。(3)成材：成品锭自由锻造(先在锻压机上进行锻造成大规格棒材或方坯，供下一步的锻造或轧制。)后，采用轧制(将大规格棒材进一步轧制成小规格的棒材，一般指φ100mm以下的成品棒材)或模锻(将棒材或方坯锻成模锻件)的压力加工方法，生产出TC11钛合金的成品。
从锻件和发动机的缺陷分析中，发生过几起由于Mo偏析造成的高密度夹杂(如图1)，而由于主元素Mo、Si成分不均匀容易引起TC11性能的波动，从而带来质量隐患。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种可以改善TC11钛合金成分均匀性的三元 中间合金，同时提供该中间合金的制备方法。此外，还提供了该三元中间合金在制备TC11钛合金中作为原材料的用途。
本发明的技术方案是，一种改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金，其基本组成为Si：5.0～6.0％；Mo：55～60％；O≤0.08％；Al：34％～40％；和杂质；所述三元中间合金的熔点为1400℃～1500℃。
根据本发明的改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金，优选的是，所述三元中间合金的颗粒度≤1mm。
本发明还提供了上述改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金的制备方法，该中间合金以Al、MoO3按一定配比混合后，先通过铝热反应冶炼得到Al-Mo；然后将Al-Mo和结晶Si一起通过真空感应炉冶炼，通过真空感应熔炼均匀各元素成分并控制O等气体杂质得到合金铸锭，经精整、破碎、精选工序制成粉末状三元中间合金。
这种将结晶Si在真空感应熔炼阶段加入而不是在前面的铝热反应冶炼加入的顺序是本发明的创新，从而避免了Si元素的烧损和挥发，提高了合金成分的均匀性，减少成分上下波动。
根据本发明的制备方法，优选的是，所述三元中间合金的颗粒度≤1mm。
本发明还提供了上述改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金在制备TC11钛合金中作为原材料的用途。该三元中间合金作为原材料用于TC11钛合金制备中的钛电极制备步骤。
由于TC11钛合金中含有较多的合金元素(GB成分见表1)，如果这些元素以金属单质方式加入，因熔点高低不同，熔炼时电极块中各原料的融化速率也会不同，易导致电极掉块，熔炼电流难以控制，影响熔炼过程的稳定。同时，由于Mo元素的熔点达到2800℃，也容易产生Mo偏析造成的高密度夹杂；而给TC11材料增加热强性的低熔点元素Si成分均匀性不佳；因此确保这Mo、Si这2个元素在TC11冶炼铸锭中的成分均匀性对后面的高品质产品起到至关重要的作用。
表1GB/T 3620 TC11钛合金的化学成分wt％
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明具有下列优点：
1、合金化均匀
由于该三元中间合金AlMoSi的熔点大大低于Mo金属单质的熔点(约2800℃)，在TC11钛合金熔炼过程中避免了由于金属单质熔点不一致导致的熔炼电流不稳定的现象，提高了熔炼过程的稳定性，提高了Si的成分均匀性分布，有效地降低高熔点元素Mo形成高密度夹杂偏析缺陷的概率，保证了TC11钛合金铸锭和钛材的成分均匀性(见图2)。
2、降低成本
以一种中间合金取代多种纯原料配合才能达到的效果，提高了生产效率并降低生产成本。
3、工艺可操作性强。
4、三元合金的夹杂物和气体含量低。
附图说明
图1是现有技术中钛合金中的Mo高密度夹杂缺陷图，TC11Mo偏析组织图。
图2是本发明TC11正常组织图。
具体实施方式
实施例1：
该中间合金以Al、MoO3按一定配比混合后，先通过常规铝热反应冶炼得到Al-Mo；然后按照配比加入结晶Si，通过真空感应熔炼均匀各元素成分并控制O等气体杂质得到合金铸锭，经精整、破碎、精选等工序制成颗粒度≤1mm的粉末状产品。产品成分为：Al：36.0％， Mo：58.0％，Si：5.33％，O：0.04％，其余为杂质。将该中间合金(109.1Kg)与海绵钛(1867.52Kg)、TiO2(3.347Kg)、海绵Zr(32.254Kg)等原料混和后，经过原料搅拌、模具挤压以及电极块焊接等步骤制成真空自耗熔炼用的钛合金电极，通过真空自耗三次熔炼后得到成分均匀的高温高强TC11钛合金，铸锭不同部位的化学成分满足相应的技术要求，Mo和Si的成分均匀性良好；具体检验结果如表2所示，适用于航空发动机用关键零部件。
表2 TC11钛合金成品铸锭的成分wt％
实施例2：
按照实例1的方法制成颗粒度≤1mm的粉末状产品。产品成分为：Al：35.8％，Mo：58.3％，Si：5.5％，O：0.05％，其余为杂质。该中间合金(84.384Kg)与海绵钛(1440.33Kg)、TiO2(1.38Kg)、海绵Zr(26.326Kg)等原料混和后，经过原料搅拌、模具挤压以及电极块焊接等步骤制成真空自耗熔炼用的钛合金电极，通过真空自耗三次熔炼后得到成分均匀的高温高强TC11钛合金，铸锭不同部位的化学成分满足相应的技术要求要求，Mo和Si的成分均匀性良好；具体检验结果如表3所示，适用于航空发动机用关键零部件。
表3 TC11钛合金成品铸锭的成分wt％
本发明通过合理配比三元中间合金的组分以一种中间合金取代多种纯原料配合才能达到的效果，提高了生产效率并降低生产成本。

Claims (5)

1.一种改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金，其特征在于：其基本组成为Si：5.0～6.0％；Mo：55～60％；O≤0.08％；Al：34％～40％；和杂质；所述三元中间合金的熔点为1400℃～1500℃。
2.根据权利要求1所述的改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金，其特征在于：所述三元中间合金的颗粒度≤1.0mm。
3.权利要求1所述改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金的制备方法，其特征在于：该中间合金以Al、MoO3按一定配比混合后，先通过铝热反应冶炼得到Al-Mo；然后将Al-Mo和结晶Si一起通过真空感应炉冶炼，通过真空感应熔炼均匀各元素成分并控制O等气体杂质得到合金铸锭，经精整、破碎、精选工序制成粉末状三元中间合金。
4.根据权利要求3所述的改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金的制备方法，其特征在于：所述三元中间合金的颗粒度≤1mm。
5.权利要求1所述改善TC11钛合金成分均匀性的三元中间合金在制备TC11钛合金中作为原材料的用途。
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