CN108149068B - 一种超高温钛合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高温钛合金的制备方法，属于钛合金材料制备技术领域。本发明所提供的超高温钛合金制备方法，通过将选料、配料、压电机、熔炼等过程制备出在700℃超高温工作温度下仍具有良好工作性能的钛合金材料。在制备过程中，通过调整钼粉与钛粉的比例、硅粉与钛粉的比例等原料配制过程的改进，以及对熔炼过程的改进，克服了现有技术中对配料过程对产品影响不大的技术偏见。利用本发明提供的制备方法制备出的钛合金在700℃下的超高温下具有良好的工作性能，能够充分满足航天航空等领域对钛合金材料的要求。

Description

一种超高温钛合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种超高温钛合金的制备方法，属于钛合金材料制备技术领域。

背景技术

目前，由于钛合金具有高强度以及良好的塑性与韧性、耐蚀性好等特点，主要被用来替代高强度钢作为航空航天飞行器中的结构材料以及弹簧材料，己是各国技术主要研究方向之一，其中尤以美国和俄罗斯在此方面发展较早。我国钛合金经历了半个多世纪的发展，今已成为世界钛大国之一，但距世界强国还有差距，表现在钛合金高端产品的规格、性能，尤其特殊用途的钛合金质量上存在较大差距。

世界上第一个高温钛合金是美国1954年研制的Ti-6Al-4V合金，可在350-380℃下使用， Ti-6Al-4V合金耐热性不够好，渗透性不理想。随着航空、航天、海洋开发等领域发展Ti-6Al-4V 已满足不了对钛合金性能要求。在我国相继研发出有500℃、550℃、600℃下工作的相应牌号，如500℃下工作的合金TC9、TC11、TA15、Ti-5621S；550℃下工作的有Ti-55，600℃下工作的合金有Ti-60、Ti-600。然而，在工作温度超过600℃，钛合金的性能会急剧下降。而当工作温度超过650℃后，现有钛合金的拉伸强度、持久性、抗蠕变性能以及稳定性等指标均无法满足使用要求。

针对上述问题，现有技术人员不断对钛合金的耐高温性能进行不断改进。例如，哈尔滨工业大学研发了一种适用于650℃温度下使用的高温钛合金及其制备方法(专利CN104745872 A)。利用该方法制备的高温钛合金在650℃下，抗拉强度可达到553MPa-572MPa，屈服强度达到431.0MPa-460MPa，伸长率为6.0％-8.4％。虽然该钛合金已基本满足650℃条件下的使用要求，但当工作温度进一步提高后(例如当工作温度达到700℃时)，该钛合金仍无法满足需求。

此外，现有的钛合金研究工作中普遍重视对合金配方以及热处理工艺的研制，合金配方原料的要求一般仅限于对产品原料的要求。对于原料的配料过程等不够重视，普遍存在原料配料过程仅仅是合金材料制备的预备过程和辅助过程，对产品性能影响极小的技术偏见。

发明内容

为解决现有钛合金在700℃超高温工作条件下存在的拉伸强度、持久性、抗蠕变性能以及稳定性等性能严重下降，无法满足技术要求的问题，本发明提供了一种超高温钛合金的制备方法。所采取的技术方案如下：

一种超高温钛合金的制备方法，该方法是选取0级海绵钛、钛粉、纯Zr、纯Si、纯Nd、纯 Mo、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金作为原料，将钛粉分别于钼粉和硅粉混合后再进行混合，添加剩余原料混合后包装成包，挤压形成熔炼电极后经过三次熔炼后冷却成品；钼粉与钛粉是按照钼粉：钛粉＝1:3-5的质量比例混合均匀；硅粉与钛粉按照硅粉：钛粉＝1:3-5的质量比例混合均匀。

上述方法的具体步骤如下：

1)选取0级海绵钛、钛粉、纯Zr、纯Si、纯Nd、纯Mo、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb 合金以及W-Fe合金作为原料：

2)将钼粉与钛粉按照钼粉：钛粉＝1:3-5的质量比例混合均匀，形成混合物I；

3)将硅粉与钛粉按照硅粉：钛粉＝1:3-5的质量比例混合均匀，形成混合物II；

4)将步骤2)所得的混合物I与步骤3)所得的混合物II进行充分混合后获得二次合金化混合物；

5)将Zr、Nd、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金进行充分混合后获得混合物III；

6)将步骤4)所得的二次合金化混合物与步骤5)所得的混合物III混合获得混合物IV；

7)将剩余钛粉加入到步骤6)所得的混合物IV中充分混合，再利用铝袋包装所得的混合物形成合金包；

8)将步骤7)所得合金包与0级海绵钛交叉铺设并挤压形成电极；

9)开启熔炼机，对步骤8)所形成的挤压电极进行三次熔炼形成合金后冷却；

10)检测步骤9)所得的冷却合金，检测后成品。

优选地，所述超高温钛合金各元素的重量百分比为：6.50％～7.50％的Al；3.0％～5.0％的Sn， 3.0％～6.0％的Zr，1.5％～3.0％的Mo，1.5％～2.5％的Nb，0.7％～2.0％的W，0.8％～2.0％的Nd， 0.2％～0.5％的Si，0.2％～0.5％的Fe余量为Ti和杂质。

更优选地，所述超高温钛合金各元素的重量百分比为：所述超高温钛合金各元素的重量百分比为：7.21％的Al，3.54％的Sn，4.35％的Zr，1.95％的Mo，1.61％的Nb，1.29％的W，1.1％的Nd，0.38％的Si，0.38％的Fe，余量为Ti和杂质。

优选地，钼粉占钛合金中钼含量的15-25％，钛钼合金中的钼占钛合金中钼含量的75％-85％。

优选地，步骤1)所述的0级海绵钛的粒度为0.83-25.4mm，硬度为85-95，氧含量为0.03-0.04％，氮含量<0.01％，碳含量<0.01％，铁含量<0.03％。

优选地，步骤1)所述的Ti-Mo合金，其中Mo元素占50％；所述Al-Sn合金，其中Sn元素占40％-48％；所述Al-Nb合金，其中，Nb占50-80％；所述W-Fe合金，其中W元素占77.5％。

优选地，步骤2)所述钛粉的颗粒直径为0.1mm-0.3mm。

优选地，步骤9)所述三次熔炼，熔炼使用真空自耗电弧炉，第一次熔炼的熔炼电流为 3900A-4100A；第二次熔炼的熔炼电流为6000A-9000A；第三次熔炼的熔炼电流为10000A-12000A。

更优选地，步骤9)所述三次熔炼，第一次熔炼的熔炼温度为1600℃-1700℃；第二次熔炼的熔炼温度为1850℃-1950℃；第三次熔炼的熔炼温度为1900℃-2000℃。

相对于现有技术，本发明获得的有益效果：

本发明通过对被现有技术所忽略的配料工艺的创造性研究，通过选用合适粒度的钼粉等配料，合理配置钼粉和硅粉与钛粉的配料比例，使合金原料在熔炼前进行充分合理的混合。在进行熔炼后，支撑棒材进行力学性能测试发现：合理的配料能够明显的提高钛合金材料的高温性能，克服了现有技术中所存在的配料等操作对钛合金产品性能影响微弱的技术偏见。同时，申请人发现，钼粉与钛粉的混合配置比例与熔炼电流之间具有协同作用。二者共同作用对产品高温性能的增益效果，高于二者分开作用效果之和。

具体实施方式

下面，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，本文使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。“连接”不限于具体的连接形式，可以是直接连接，也可以是通过其他部件间接连接，可以是不可拆卸的连接，也可以是可拆卸的连接，可以是电气或信号连接，也可以是机械或物理连接。

以下实施例用于制备钛合金的原料为钛粉、钼粉、硅粉、钕、颗粒状纯锆以及钛钼合金、钨铁合金、铝锡合金、铝铌合金。其中，钛粉的粒度为0.1-0.3mm；0级海绵钛的粒度在0.83-25.4mm，硬度为85-95，含氧量为0.03％-0.04％，氮含量小于0.01％，碳含量小于0.01％，铁含量小于0.03％。锆元素为颗粒状纯锆，纯度在99.7％以上；铝锡合金中的锡含量为 40％-48％。铝铌合金中铌的含量在50％-80％。钨铁合金中钨金属的含量为77.5％，合金粒度为40目。

以下实施例中熔炼过程中选用的熔炼设备为真空自耗电弧炉，所选坩埚的直径在160mm-280mm之间。熔炼过程中形成的电极以22KG为一个单元，根据具体使用情况将5-7 个电极焊接为一体进行熔炼。二次、三次熔炼前获得的铸锭依次根据实际情况选取。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1

本实施例提供了一种传统的钛合金的制备方法，步骤如下：

1)选料，选取0级海绵钛粉、钛粉、钼粉、硅粉、钕、颗粒状纯锆以及钛钼合金、钨铁合金、铝锡合金、铝铌合金作为钛合金的制备原料；

2)配料，将步骤1)的原料组分，按照如下重量百分比进行配制：6.50％～7.50％的Al；3.0％～5.0％的Sn，3.0％～6.0％的Zr，1.5％～3.0％的Mo，1.5％～2.5％的Nb，0.7％～2.0％的 W，0.8％～2.0％的Nd，0.2％～0.5％的Si，0.2％～0.5％的Fe余量为Ti和杂质；具体的配制过程是：将钛粉和钼粉等比例混合后获得混合物I，再将硅粉与钛粉等比例混合后获得混合物II，在将混合物I与混合物II混合后与事先其他组分(除铝粉和钛粉外)混合形成的混合物III 进行充分混合获得混合物IV，最后将剩余铝粉与混合物IV混合后用铝袋进行包装获得合金包；

3)将0级海绵钛与步骤2)制好的合金包间隔进行铺垫(即一层海绵钛一层合金包)，铺垫完毕后通过真空等离子弧焊将其压制成长条状电极，以备熔炼；制成的电极重20Kg；

4)将步骤3)制备好的电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，第一次熔炼选取直径为160mm的坩埚，在4500-5000A、1700-1800℃的条件下进行熔炼；熔炼结束后再将所得的一次锭放置在220mm直径的坩埚中进行二次熔炼，二次熔炼的熔炼电流为4000-8000A，熔炼温度在1800-1900℃；二次熔炼结束后在将获得的二次锭，转移到直径260mm的坩埚中进行三次熔炼，三次熔炼的熔炼电流为8000-10000A，熔炼温度为1900-2000℃；三次熔炼过程中电压均控制在26-32V；

5)第三次熔炼结束后将获得的铸锭冷却到200℃一下后出炉，在将制成的Φ480*Lmm铸锭经车床扒皮，取样进行成份分析，结果如表1所示。

表1铸锭成份(％)

Ti	Al	Sn	Zr	Mo	Nb	W	Nd	Si	O	Fe	N	C
													余量	6.97	3.68	4.15	1.90	1.65	1.31	1.0	0.38	0.12	0.02	0.03	0.03

为对所制备的钛合金的性能进行测定，将相变点为1008℃的超高温钛合金，将铸锭置于箱式电炉，按表二进行温度控制。铸锭在1160±10℃下按TA7ELI合金锭进行开坯锻造。又经三火将锻坯锻成品Φ50*L mm棒材、轧棒用的坯料、轧板用的板坯，其整个锻造过程及坯料尺寸变化情况见表2。

表2本实施例合金锻造工艺要点

加热℃	终锻℃	火次	工序要点	加工率％
					1160	880	1	Φ480→八方倒棱拔长→开成Φ250	75
1140	850	2	将Φ250→打成Φ200*L→下成三段	50
					1120	820	3	将Φ200→打锻成Φ120*L坯料	75-85
1060	800	4	将处理好的Φ120*L→锻成Φ50*L棒	83

进一步地，在轧棒的过程中，将棒坯Φ85*L mm置于电炉加热980℃，在Φ340横列式轧棒机上用棱→方→扁→立椭→圆孔型系用7道和9道次轧出Φ30*L的棒材，其加工率分别为 70％。

进一步地，对锻造好的棒材，按照如下四步进行了多重热处理：

第一步，在1020℃下热处理30min；

第二步，在880℃下热处理1h；

第三步，在980℃下热处理1h；

第四步，在700℃下热处理4h。

在上述多重热处理完毕后冷却，以备检测。

实施例2

本实施例提供了一种钛合金新的制备方法，所采取的步骤如下：

1)选取0级海绵钛、钛粉、纯Zr、纯Si、纯Nd、纯Mo、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb 合金以及W-Fe合金作为原料：

2)配料：按照如下重量百分比进行配制：6.50％～7.50％的Al；3.0％～5.0％的Sn，3.0％～6.0％的Zr，1.5％～3.0％的Mo，1.5％～2.5％的Nb，0.7％～2.0％的W，0.8％～2.0％的Nd，0.2％～0.5％的 Si，0.2％～0.5％的Fe余量为Ti和杂质；具体的配料过程是：将钼粉与0级海绵钛粉按照钼粉：钛粉＝1:4的质量比例混合均匀，形成混合物I；其中，钼粉为40目的钼粉，钛粉的粒径为 0.1-0.3mm；将硅粉与钛粉按照硅粉：钛粉＝1:4的质量比例混合均匀，形成混合物II；然后再将所得的混合物I与混合物II进行充分混合后获得二次合金化混合物；再将Zr、Nd、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金进行充分混合后获得混合物III；然后所得的二次合金化混合物与所得的混合物III混合获得混合物IV；最后，将剩余铝粉加入到所得的混合物IV 中充分混合，再利用铝袋包装所得的混合物形成合金包；

3)将步骤2)所得合金包与0级海绵钛一层一层交叉铺设并挤压形成长条形电极；

4)开启熔炼机，对步骤3)所形成的挤压电极进行三次熔炼形成合金后冷却；电极熔炼的过程与实施例1中记载的方法相同。

5)第三次熔炼结束后将获得的铸锭冷却到200℃一下后出炉，在将制成的Φ480*Lmm 铸锭经车床扒皮，取样进行成份分析，结果如表3所示。

表3铸锭成份(％)

Ti	Al	Sn	Zr	Mo	Nb	W	Nd	Si	O	Fe	N	C
													余量	6.91	3.58	4.27	1.95	1.55	1.35	1.1	0.38	0.12	0.5	0.03	0.03

在制成钛合金铸锭后，再按照实施例1的方法进行锻造和多重热处理，制成供检测处理的棒材。

实施例3

本实施例提供了一种钛合金新的制备方法，所采取的步骤如下：

1)选取0级海绵钛、钛粉、纯Zr、纯Si、纯Nd、纯Mo、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb 合金以及W-Fe合金作为原料：

2)配料：按照如下重量百分比进行配制：6.50％～7.50％的Al；3.0％～5.0％的Sn，3.0％～6.0％的Zr，1.5％～3.0％的Mo，1.5％～2.5％的Nb，0.7％～2.0％的W，0.8％～2.0％的Nd，0.2％～0.5％的 Si，0.2％～0.5％的Fe余量为Ti和杂质；具体的配料过程是：将钼粉与0级海绵钛粉按照钼粉：钛粉＝1:3的质量比例混合均匀，形成混合物I；其中，钼粉为40目的钼粉，钛粉的粒径为 0.1-0.3mm；将硅粉与钛粉按照硅粉：钛粉＝1:3的质量比例混合均匀，形成混合物II；然后再将所得的混合物I与混合物II进行充分混合后获得二次合金化混合物；再将Zr、Nd、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金进行充分混合后获得混合物III；然后所得的二次合金化混合物与所得的混合物III混合获得混合物IV；最后，将剩余铝粉加入到所得的混合物IV 中充分混合，再利用铝袋包装所得的混合物形成合金包；

3)将步骤2)所得合金包与0级海绵钛一层一层交叉铺设并挤压形成长条形电极；

4)开启熔炼机，对步骤3)所形成的挤压电极进行三次熔炼形成合金后冷却；电极熔炼的过程与实施例1中记载的方法相同。

5)第三次熔炼结束后将获得的铸锭冷却到200℃一下后出炉，在将制成的Φ480*Lmm 铸锭经车床扒皮，取样进行成份分析，结果如表4所示。

表4铸锭成份(％)

Ti	Al	Sn	Zr	Mo	Nb	W	Nd	Si	O	Fe	N	C
													余量	6.99	3.58	4.21	1.95	1.53	1.35	1.0	0.38	0.12	0.5	0.03	0.03

在制成钛合金铸锭后，再按照实施例1的方法进行锻造和多重热处理，制成供检测处理的棒材。

实施例4

本实施例提供了一种钛合金新的制备方法，所采取的步骤如下：

1)选取0级海绵钛、钛粉、纯Zr、纯Si、纯Nd、纯Mo、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb 合金以及W-Fe合金作为原料：

2)配料：按照如下重量百分比进行配制：6.50％～7.50％的Al；3.0％～5.0％的Sn，3.0％～6.0％的Zr，1.5％～3.0％的Mo，1.5％～2.5％的Nb，0.7％～2.0％的W，0.8％～2.0％的Nd，0.2％～0.5％的 Si，0.2％～0.5％的Fe余量为Ti和杂质；具体的配料过程是：将钼粉与0级海绵钛粉按照钼粉：钛粉＝1:5的质量比例混合均匀，形成混合物I；其中，钼粉为40目的钼粉，钛粉的粒径为 0.1-0.3mm；将硅粉与钛粉按照硅粉：钛粉＝1:5的质量比例混合均匀，形成混合物II；然后再将所得的混合物I与混合物II进行充分混合后获得二次合金化混合物；再将Zr、Nd、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金进行充分混合后获得混合物III；然后所得的二次合金化混合物与所得的混合物III混合获得混合物IV；最后，将剩余铝粉加入到所得的混合物IV 中充分混合，再利用铝袋包装所得的混合物形成合金包；

3)将步骤2)所得合金包与0级海绵钛一层一层交叉铺设并挤压形成长条形电极；

4)开启熔炼机，对步骤3)所形成的挤压电极进行三次熔炼形成合金后冷却；电极熔炼的过程与实施例1中记载的方法相同。

5)第三次熔炼结束后将获得的铸锭冷却到200℃一下后出炉，在将制成的Φ480*Lmm 铸锭经车床扒皮，取样进行成份分析，结果如表5所示。

表5铸锭成份(％)

Ti	Al	Sn	Zr	Mo	Nb	W	Nd	Si	O	Fe	N	C
													余量	7.02	3.58	4.34	1.95	1.53	1.35	1.1	0.38	0.12	0.4	0.03	0.03

在制成钛合金铸锭后，再按照实施例1的方法进行锻造和多重热处理，制成供检测处理的棒材。

实施例5

本实施例提供了一种钛合金新的制备方法，所采取的步骤如下：

1)选取0级海绵钛、钛粉、纯Zr、纯Si、纯Nd、纯Mo、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb 合金以及W-Fe合金作为原料：

2)配料：按照如下重量百分比进行配制：6.50％～7.50％的Al；3.0％～5.0％的Sn，3.0％～6.0％的Zr，1.5％～3.0％的Mo，1.5％～2.5％的Nb，0.7％～2.0％的W，0.8％～2.0％的Nd，0.2％～0.5％的 Si，0.2％～0.5％的Fe余量为Ti和杂质；具体的配料过程是：将钼粉与0级海绵钛粉按照钼粉：钛粉＝1:7的质量比例混合均匀，形成混合物I；其中，钼粉为40目的钼粉，钛粉的粒径为 0.1-0.3mm；将硅粉与钛粉按照硅粉：钛粉＝1:7的质量比例混合均匀，形成混合物II；然后再将所得的混合物I与混合物II进行充分混合后获得二次合金化混合物；再将Zr、Nd、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金进行充分混合后获得混合物III；然后所得的二次合金化混合物与所得的混合物III混合获得混合物IV；最后，将剩余铝粉加入到所得的混合物IV 中充分混合，再利用铝袋包装所得的混合物形成合金包；

3)将步骤2)所得合金包与0级海绵钛一层一层交叉铺设并挤压形成长条形电极；

4)开启熔炼机，对步骤3)所形成的挤压电极进行三次熔炼形成合金后冷却；电极熔炼的过程与实施例1中记载的方法相同。

5)第三次熔炼结束后将获得的铸锭冷却到200℃一下后出炉，在将制成的Φ480*Lmm 铸锭经车床扒皮，取样进行成份分析，结果如表6所示。

表6铸锭成份(％)

Ti	Al	Sn	Zr	Mo	Nb	W	Nd	Si	O	Fe	N	C
													余量	7.12	3.60	4.41	1.92	1.55	1.35	1.1	0.36	0.12	0.4	0.03	0.03

在制成钛合金铸锭后，再按照实施例1的方法进行锻造和多重热处理，制成供检测处理的棒材。

实施例6

本实施例提供了一种钛合金新的制备方法，本实施例同时对钛合金的原料配制过程以及熔炼过程进行了改进，所采取的步骤如下：

1)选取0级海绵钛、钛粉、纯Zr、纯Si、纯Nd、纯Mo、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb 合金以及W-Fe合金作为原料：

2)配料：按照如下重量百分比进行配制：6.50％～7.50％的Al；3.0％～5.0％的Sn，3.0％～6.0％的Zr，1.5％～3.0％的Mo，1.5％～2.5％的Nb，0.7％～2.0％的W，0.8％～2.0％的Nd，0.2％～0.5％的 Si，0.2％～0.5％的Fe余量为Ti和杂质；具体的配料过程是：将钼粉与0级海绵钛粉按照钼粉：钛粉＝1:4的质量比例混合均匀，形成混合物I；其中，钼粉为40目的钼粉，钛粉的粒径为 0.1-0.3mm；将硅粉与钛粉按照硅粉：钛粉＝1:4的质量比例混合均匀，形成混合物II；然后再将所得的混合物I与混合物II进行充分混合后获得二次合金化混合物；再将Zr、Nd、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金进行充分混合后获得混合物III；然后所得的二次合金化混合物与所得的混合物III混合获得混合物IV；最后，将剩余铝粉加入到所得的混合物IV 中充分混合，再利用铝袋包装所得的混合物形成合金包；

3)将步骤2)所得合金包与0级海绵钛一层一层交叉铺设并挤压形成长条形电极；

4)开启熔炼机，对步骤3)所形成的挤压电极进行三次熔炼形成合金后冷却；三次熔炼条件分为：第一次熔炼的熔炼电流为3900A-4100A，熔炼温度为1600℃-1700℃；第二次熔炼的熔炼电流为6000A-9000A，熔炼温度为1850℃-1950℃；第三次熔炼的熔炼电流为10000A-12000A，熔炼温度为1900℃-2000℃。

5)第三次熔炼结束后将获得的铸锭冷却到200℃一下后出炉，在将制成的Φ480*Lmm 铸锭经车床扒皮，取样进行成份分析，结果如表7所示。

表7铸锭成份(％)

Ti	Al	Sn	Zr	Mo	Nb	W	Nd	Si	O	Fe	N	C
													余量	7.21	3.54	4.35	1.95	1.61	1.29	1.1	0.38	0.12	0.5	0.03	0.03

在制成钛合金铸锭后，再按照实施例1的方法进行锻造和多重热处理，制成供检测处理的棒材。

实施例7

本实施例提供了一种钛合金新的制备方法，本实施例在不对配料过程进行改进的情况下，对熔炼参数，包括熔炼电流和熔炼温度进行了改进，所采取的步骤如下：

1)选料，选取0级海绵钛粉、钛粉、钼粉、硅粉、钕、颗粒状纯锆以及钛钼合金、钨铁合金、铝锡合金、铝铌合金作为钛合金的制备原料；

2)配料，将步骤1)的原料组分，按照如下重量百分比进行配制：6.50％～7.50％的Al； 3.0％～5.0％的Sn，3.0％～6.0％的Zr，1.5％～3.0％的Mo，1.5％～2.5％的Nb，0.7％～2.0％的W， 0.8％～2.0％的Nd，0.2％～0.5％的Si，0.2％～0.5％的Fe余量为Ti和杂质；具体的配制过程是：将钛粉和钼粉等比例混合后获得混合物I，再将硅粉与钛粉等比例混合后获得混合物II，在将混合物I与混合物II混合后与事先其他组分(除铝粉和钛粉外)混合形成的混合物III进行充分混合获得混合物IV，最后将剩余铝粉与混合物IV混合后用铝袋进行包装获得合金包；

3)将0级海绵钛与步骤2)制好的合金包间隔进行铺垫(即一层海绵钛一层合金包)，铺垫完毕后通过真空等离子弧焊将其压制成长条状电极，以备熔炼；制成的电极重20Kg；

4)将步骤3)制备好的电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，第一次熔炼选取直径为 160mm的坩埚，在3900-4100A、1600-1700℃的条件下进行熔炼；熔炼结束后再将所得的一次锭放置在220mm直径的坩埚中进行二次熔炼，二次熔炼的熔炼电流为6000-9000A，熔炼温度在1850-1950℃；二次熔炼结束后在将获得的二次锭，转移到直径260mm的坩埚中进行三次熔炼，三次熔炼的熔炼电流为6000-9000A，熔炼温度为1900-2000℃；三次熔炼过程中电压均控制在26-32V；

5)第三次熔炼结束后将获得的铸锭冷却到200℃一下后出炉，在将制成的Φ480*Lmm 铸锭经车床扒皮，取样进行成份分析，结果如表8所示。

表8铸锭成份(％)

Ti	Al	Sn	Zr	Mo	Nb	W	Nd	Si	O	Fe	N	C
													余量	7.35	4.68	3.15	2.10	2.22	1.01	1.7	0.38	0.12	0.2	0.03	0.03

实施例8

为对实施例1-7所制备的棒材进行了室温和高温性能的检测，检测条件及结果参见表9- 表13。其中，所有棒材的直径均为30mm。

实施例1-7所制备的棒材在室温下的力学性能测试结果，见表9。

表9实施例1-7所制备棒材室温下的力学性能

从表9可知，实施例6所制备的棒材在R态和ST+Ag态下的拉伸强度R_m和屈服强度R_p0.2均明显高于其他组。由此可见，在对原料的配制条件和熔炼条件进行优化后，二者共同作用下对钛合金棒材力学性能的提升非常显著，拉伸强度R_m和屈服强度R_p0.2分别提高了256MPa和56MPa(R态)、212MPa和213MPa(ST+Ag态)。在实施例1的基础上分别对原料的配制过程和熔炼过程进行改进，这两个因素对产品最高效果增益分别达到：73MPa和131MPa、24MPa和26MPa(R态)；73MPa和79MPa、70MPa和109MPa(ST+Ag)。由此可见，配料过程与熔炼过程优化后形成的整体方案对原始方案(实施例1)的效果增益明显大于配料过程单独优化(实施例2-5)以及熔炼过程参数优化(实施例7)后对原始技术方案的效果增益，即配料过程与熔炼过程对产品的性能增益具有协同效果。

实施例1-7所制备的棒材的高温持久性能测试结果，见表10。

表10实施例1-7所制备棒材的高温持久性能

	试验温度℃	恒应力σ/MPa	持续时间小时h
				实施例1	700	350	3.200
实施例2	700	350	3.500
				实施例3	700	350	3.400
实施例4	700	350	3.400
				实施例5	700	350	3.300
实施例6	700	350	4.600
				实施例7	700	350	3.800

从表10可知，按照实施例6的制备方法制备出的棒材在700℃，350MPa的恒应力下，可持续4.6小时，明显优于其他实施例。并且，实施例6相对于实施例1的效果增益明显大于实施例7以及实施例2之和。说明，配料过程与熔炼过程在对成品最终的高温持久性能的优化方面大于上述两者效果之和。

实施例1-7所制备的棒材的热稳定性能测试结果，见表11。

表11实施例1-7所制备棒材的热稳定性

从表11可知，利用实施例6所提供的方法制备出的棒材，在拉伸强度和屈服强度上，均明显优于其他组，并且相对于对照实施例，实施例6的效果增益大于实施例7与其他实施例效果增益之和。说明配料环节的工艺与熔炼工艺之间存在协同效应。

实施例1-7所制备的棒材的高温瞬时性能测试结果，见表12。

表12实施例1-7所制备棒材的高温瞬时性能

	试验温度℃	σ<sub>b</sub>/MPa	σ<sub>0.2</sub>/Mpa	δ<sub>5</sub>/％	Z/％
						实施例1	700	535	380	100.0	97.0
实施例2	700	564	392	68.4	61.2
						实施例3	700	561	403	61.2	60.3
实施例4	700	555	401	65.9	57.4
						实施例5	700	542	389	78.2	80.3
实施例6	700	597	421	55.1	46.5
						实施例7	700	572	398	78.8	80.2

从表12可知，利用实施例6所制备出的棒材在Ag态下的高温瞬时性能效果明显优于其他实施例，其高温瞬时性能分别能够达到σ_b：597MPa；σ_0.2421MPa，δ₅55.1％和Z：46.5％。

实施例1-7所制备的棒材的高温蠕变性能测试结果，见表13。

表13实施例1-7所制备的棒材的高温蠕变性能

	试验温度℃	应力σ/MPa	时间小时h	蠕变值％
					实施例1	700	80	100	0.741
实施例2	700	80	100	0.701
					实施例3	700	80	100	0.691
实施例4	700	80	100	0.681
					实施例5	700	80	100	0.722
实施例6	700	80	100	0.528
					实施例7	700	80	100	0.669

从表13可知，利用实施例6所制备出的棒材的效果明显优于其他实施例，其蠕变值可达到0.528％，相对于实施例1的0.741％，降低了0.213％，提高幅度达到28.4％。相应地，实施例2-6中效果最好的实施例4，仅仅将蠕变值降低0.06％，而实施例7也仅仅降低了0.072％，二者之和仅为0.078％，远远低于实施例6的0.213％。

发明人经过对钛合金原料配制过程和熔炼过程的改进，发现上述两个过程存在协同作用，具体表现为二者分开施用时对产品性能效果的增益之和低于二者同时施用时对产品性能的增益效果。这样协同作用在本发明之前没有报道。同时，本发明也打破了现有技术领域中存在的对原配配料不够重视，认为其对产品性能影响不大的技术偏见。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种超高温钛合金的制备方法，其特征在于，选取0级海绵钛、钛粉、纯Zr、纯Si粉、纯Nd、纯Mo、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金作为原料，将钛粉分别于钼粉和硅粉混合后再进行混合，添加剩余原料混合后包装成包，挤压形成熔炼电极后经过三次熔炼后冷却成品；其中，钼粉与钛粉是按照钼粉：钛粉＝1:3-5的质量比例混合均匀；硅粉与钛粉按照硅粉：钛粉＝1:3-5的质量比例混合均匀；

其中，所述三次熔炼，熔炼使用真空自耗电弧炉，第一次熔炼的熔炼电流为3900A-4100A；第二次熔炼的熔炼电流为6000A-9000A；第三次熔炼的熔炼电流为10000A-12000A；

第一次熔炼的熔炼温度为1600℃-1700℃；第二次熔炼的熔炼温度为1850℃-1950℃；第三次熔炼的熔炼温度为1900℃-2000℃；

所述超高温钛合金各元素的重量百分比为：6.50％～7.50％的Al；3.0％～5.0％的Sn，3.0％～6.0％的Zr，1.5％～3.0％的Mo，1.5％～2.5％的Nb，0.7％～2.0％的W，0.8％～2.0％的Nd，0.2％～0.5％的Si，0.2％～0.5％的Fe余量为Ti和杂质。

2.根据权利要求1所述的超高温钛合金的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1)选取0级海绵钛、钛粉、纯Zr、纯Si、纯Nd、纯Mo、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金作为原料：

2)将钼粉与钛粉按照钼粉：钛粉＝1:3-5的质量比例混合均匀，形成混合物I；

3)将硅粉与钛粉按照硅粉：钛粉＝1:3-5的质量比例混合均匀，形成混合物II；

4)将步骤2)所得的混合物I与步骤3)所得的混合物II进行充分混合后获得二次合金化混合物；

5)将Zr、Nd、Ti-Mo合金、Al-Sn合金、Al-Nb合金以及W-Fe合金进行充分混合后获得混合物III；

6)将步骤4)所得的二次合金化混合物与步骤5)所得的混合物III混合获得混合物IV；

7)将剩余钛粉加入到步骤6)所得的混合物IV中充分混合，再利用铝袋包装所得的混合物形成合金包；

8)将步骤7)所得合金包与0级海绵钛交叉铺设并挤压形成电极；

9)开启熔炼机，对步骤8)所形成的挤压电极进行三次熔炼形成合金后冷却；

10)检测步骤9)所得的冷却合金，检测后成品。

3.根据权利要求1所述的超高温钛合金的制备方法，其特征在于，所述超高温钛合金各元素的重量百分比为：7.21％的Al，3.54％的Sn，4.35％的Zr，1.95％的Mo，1.61％的Nb，1.29％的W，1.1％的Nd，0.38％的Si，0.38％的Fe，余量为Ti和杂质。

4.根据权利要求1所述的超高温钛合金的制备方法，其特征在于，钼粉占钛合金中钼含量的15-25％，钛钼合金中的钼占钛合金中钼含量的75％-85％。

5.根据权利要求2所述的超高温钛合金的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的0级海绵钛的粒度为0.83-25.4mm，硬度为85-95，氧含量为0.03-0.04％，氮含量<0.01％，碳含量<0.01％，铁含量<0.03％。

6.根据权利要求2所述的超高温钛合金的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的Ti-Mo合金，其中Mo元素占50％；所述Al-Sn合金，其中Sn元素占40％-48％；所述Al-Nb合金，其中，Nb占50-80％；所述W-Fe合金，其中W元素占77.5％。

7.根据权利要求2所述的超高温钛合金的制备方法，其特征在于，步骤2)所述钛粉的颗粒直径为0.1mm-0.3mm。