CN108467971A - 一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片 - Google Patents

一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片，包括叶片本体，所述叶片本体由耐腐蚀钛合金材料制成，所述耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：0.8‑1.2％，Al：7.6‑8.3%，Cu：2.1‑2.3%，Mn：1.1‑1.2%，Cr：1.5‑1.8%，Mo：1.3‑2.1%，Nd：0.6‑0.9%，H：0.001‑0.0015%，Co：0.5‑0.9%，Si：0.2‑0.25%，Ni：0.7‑1.5%，Ta：0.15‑0.23%，La：0.4‑0.6%,Nb：3.1‑3.3％，Ce：0.1‑0.15，Zr：1.1‑1.3%，余量为Ti和不可避免的杂质，本发明制具有良好的耐高温性、耐腐蚀性和强度。

Description

一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，具体来讲是一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片。
背景技术
航空发动机高压涡轮叶片处于高温高压燃气的严苛工作环境中，而叶片是航空发动机中热负荷及机械负荷最大的部件，其工作环境恶劣，承受燃烧后高温高压燃气冲击，叶片会由于振动、疲劳等多种原因而产生裂纹破坏，所以其制造技术被列为现代航空发动机的关键技术，现有的航空发动机叶片性能较差且使用寿命短，耐腐蚀性差、强度不够，使航空的成本不断增加，研发一种克服上述缺陷的发动机叶片成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提供一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片，包括叶片本体，所述叶片本体由耐腐蚀钛合金材料制成，所述耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：0.8-1.2％，Al：7.6-8.3%，Cu：2.1-2.3%，Mn：1.1-1.2%，Cr：1.5-1.8%，Mo：1.3-2.1%，Nd：0.6-0.9%，H：0.001-0.0015%，Co：0.5-0.9%，Si：0.2-0.25%，Ni：0.7-1.5%，Ta：0.15-0.23%，La：0.4-0.6%,Nb：3.1-3.3％，Ce：0.1-0.15，Zr：1.1-1.3%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述的耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：0.9％，Al：7.7%，Cu：2.1%，Mn：1.1%，Cr：1.5%，Mo：1.6%，Nd：0.6%，H：0.001%，Co：0.5%，Si：0.2%，Ni：0.8%，Ta：0.15%，La：0.4%,Nb：3.1％，Ce：0.1，Zr：1.1%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
前述的耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：1.0％，Al：8.1%，Cu：2.3%，Mn：1.2%，Cr：1.7%，Mo：1.8%，Nd：0.7%，H：0.0012%，Co：0.65%，Si：0.22%，Ni：0.83%，Ta：0.18%，La：0.5%,Nb：3.2％，Ce：0.13，Zr：1.2%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
前述的耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：1.1％，Al：8.0%，Cu：2.3%，Mn：1.15%，Cr：1.8%，Mo：1.9%，Nd：0.8%，H：0.0011%，Co：0.72%，Si：0.21%，Ni：1.1%，Ta：0.20%，La：0.48%,Nb：3.3％，Ce：0.15，Zr：1.3%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
本发明还提供一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：按照上述合金成分比例配料，并将配料加入到真空自耗电弧炉中，在电弧炉炉内充惰性气体，压力维持在6000-7000Pa，然后将电流控制在18000A～20000A，电压40V，起弧熔炼，将合金原料熔化到所需重量后，翻转水冷铜坩埚，将合金液体倒入等离子喷涂特种耐火氧化物涂层的铸型模具中，得到钛合金叶片坯料；
步骤二：开坯锻造：先将所述钛合金叶片坯料放入加热炉内加热至850-980℃，保温3-4h，再将所述钛合金叶片坯料放入压力机上进行模锻变形，控制上模压下的速度在0.006-0.009mm，从而得到所述钛合金叶片锻件，其模锻变形量控制在50-70%；
步骤三：热处理：对钛合金叶片锻件进行消除应力退火—再结晶退火—固溶处理—时效处理，其中消除应力退火温度为550-650℃，空冷至200-220℃，然后进行再结晶退火，温度为750-800℃，空冷至400-450℃，固溶处理温度为900-960℃，时效处理温度为700-800℃，时间为4-6h，水冷至室温；
步骤四：将钛合金叶片锻件放入真空炉中，加入氯酸钾和 MnO2，真空度≤100Pa ，进行加热升温，升温到 850-900℃并进行保温1-2h，然后随炉冷却。
本发明的有益效果是：本发明中添加Al ，并且本发明中Al的含量，可以提高钛合金的相变点，降低残余β相的含量，降低钛合金高温蠕变过程中的扩散，提高钛合金的高温抗蠕变性能 ；同时，Al 元素含量的提高，能在钛合金表面生成具有稳定保护作用的 Al2O3保护膜，提高耐热钛合金的表面抗氧化性；添加Ta 能够起到固溶强化的作用，添加Si 元素可以很好的保障耐热钛合金的高温蠕变性能；添加Cr，能够显著提高强度、硬度各耐磨性，同时也能提高抗氧化性和耐腐蚀性；将Nb、Zr和Mo，这三种元素加在钛合金中，不但具有较好的固溶强化效果，而且可以有效韧化合金，使其室温冲击韧性≥60J；
本发明在惰性气体气氛下采用自耗钛合金电极熔炼钛合金，能有效减少合金液体中易挥发元素在熔炼过程中的挥发烧损，提高合金成分一致性和纯净度，并且能够有效抑制了合金液体的挥发和迸溅；
本发明钛合金叶片的锻造温度控制在850-980℃之间，并且控制模锻变形量在 40-60% 之间，有效避免由于锻造温度过低而引起的坯料在模锻过程中的开裂问题；本发明钛合金叶片锻件经过步骤四处理后，使其合金表层的硬度达到HV900-1000，
本发明钛合金叶片进行消除应力退火—再结晶退火—固溶处理—时效处理，能够消除固溶处理所产生的对综合性能不利的α’相，并且固溶处理所产生的淬火马氏体α’，在时效过程中发生迅速分解，使强度升高，大于1150MPa，能够提高耐高温性能和断裂韧性、耐腐蚀性。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片，包括叶片本体，叶片本体由耐腐蚀钛合金材料制成，耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：0.9％，Al：7.7%，Cu：2.1%，Mn：1.1%，Cr：1.5%，Mo：1.6%，Nd：0.6%，H：0.001%，Co：0.5%，Si：0.2%，Ni：0.8%，Ta：0.15%，La：0.4%,Nb：3.1％，Ce：0.1，Zr：1.1%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
本发明还提供一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：按照上述合金成分比例配料，并将配料加入到真空自耗电弧炉中，在电弧炉炉内充惰性气体，压力维持在6000Pa，然后将电流控制在18000AA，电压40V，起弧熔炼，将合金原料熔化到所需重量后，翻转水冷铜坩埚，将合金液体倒入等离子喷涂特种耐火氧化物涂层的铸型模具中，得到钛合金叶片坯料；
步骤二：开坯锻造：先将所述钛合金叶片坯料放入加热炉内加热至850℃，保温4h，再将所述钛合金叶片坯料放入压力机上进行模锻变形，控制上模压下的速度在0.006mm，从而得到所述钛合金叶片锻件，其模锻变形量控制在60%；
步骤三：热处理：对钛合金叶片锻件进行消除应力退火—再结晶退火—固溶处理—时效处理，其中消除应力退火温度为600℃，空冷至200℃，然后进行再结晶退火，温度为750℃，空冷至400℃，固溶处理温度为900℃，时效处理温度为700℃，时间为6h，水冷至室温；
步骤四：将钛合金叶片锻件放入真空炉中，加入氯酸钾和 MnO2，真空度≤100Pa ，进行加热升温，升温到850℃并进行保温2h，然后随炉冷却。
实施例2
本实施例提供一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片，包括叶片本体，叶片本体由耐腐蚀钛合金材料制成，耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：1.0％，Al：8.1%，Cu：2.3%，Mn：1.2%，Cr：1.7%，Mo：1.8%，Nd：0.7%，H：0.0012%，Co：0.65%，Si：0.22%，Ni：0.83%，Ta：0.18%，La：0.5%,Nb：3.2％，Ce：0.13，Zr：1.2%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
本发明还提供一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：按照上述合金成分比例配料，并将配料加入到真空自耗电弧炉中，在电弧炉炉内充惰性气体，压力维持在6000Pa，然后将电流控制在19000A，电压40V，起弧熔炼，将合金原料熔化到所需重量后，翻转水冷铜坩埚，将合金液体倒入等离子喷涂特种耐火氧化物涂层的铸型模具中，得到钛合金叶片坯料；
步骤二：开坯锻造：先将所述钛合金叶片坯料放入加热炉内加热至930℃，保温3.5h，再将所述钛合金叶片坯料放入压力机上进行模锻变形，控制上模压下的速度在0.007mm，从而得到所述钛合金叶片锻件，其模锻变形量控制在65%；
步骤三：热处理：对钛合金叶片锻件进行消除应力退火—再结晶退火—固溶处理—时效处理，其中消除应力退火温度为620℃，空冷至210℃，然后进行再结晶退火，温度为780℃，空冷至430℃，固溶处理温度为920℃，时效处理温度为740℃，时间为5h，水冷至室温；
步骤四：将钛合金叶片锻件放入真空炉中，加入氯酸钾和 MnO2，真空度≤100Pa ，进行加热升温，升温到 870℃并进行保温1.5h，然后随炉冷却。
实施例3
本实施例提供一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片，包括叶片本体，叶片本体由耐腐蚀钛合金材料制成，耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：1.1％，Al：8.0%，Cu：2.3%，Mn：1.15%，Cr：1.8%，Mo：1.9%，Nd：0.8%，H：0.0011%，Co：0.72%，Si：0.21%，Ni：1.1%，Ta：0.20%，La：0.48%,Nb：3.3％，Ce：0.15，Zr：1.3%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
本发明还提供一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：按照上述合金成分比例配料，并将配料加入到真空自耗电弧炉中，在电弧炉炉内充惰性气体，压力维持在6000Pa，然后将电流控制在20000A，电压40V，起弧熔炼，将合金原料熔化到所需重量后，翻转水冷铜坩埚，将合金液体倒入等离子喷涂特种耐火氧化物涂层的铸型模具中，得到钛合金叶片坯料；
步骤二：开坯锻造：先将所述钛合金叶片坯料放入加热炉内加热至960℃，保温3h，再将所述钛合金叶片坯料放入压力机上进行模锻变形，控制上模压下的速度在0.009mm，从而得到所述钛合金叶片锻件，其模锻变形量控制在70%；
步骤三：热处理：对钛合金叶片锻件进行消除应力退火—再结晶退火—固溶处理—时效处理，其中消除应力退火温度为650℃，空冷至220℃，然后进行再结晶退火，温度为800℃，空冷至450℃，固溶处理温度为960℃，时效处理温度为800℃，时间为4h，水冷至室温；
步骤四：将钛合金叶片锻件放入真空炉中，加入氯酸钾和 MnO2，真空度≤100Pa ，进行加热升温，升温到900℃并进行保温1h，然后随炉冷却。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种耐腐蚀钛合金航空发动机叶片，包括叶片本体，其特征在于，所述叶片本体由耐腐蚀钛合金材料制成，所述耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：0.8-1.2％，Al：7.6-8.3%，Cu：2.1-2.3%，Mn：1.1-1.2%，Cr：1.5-1.8%，Mo：1.3-2.1%，Nd：0.6-0.9%，H：0.001-0.0015%，Co：0.5-0.9%，Si：0.2-0.25%，Ni：0.7-1.5%，Ta：0.15-0.23%，La：0.4-0.6%,Nb：3.1-3.3％，Ce：0.1-0.15，Zr：1.1-1.3%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀钛合金航空发动机叶片，其特征在于：所述耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：0.9％，Al：7.7%，Cu：2.1%，Mn：1.1%，Cr：1.5%，Mo：1.6%，Nd：0.6%，H：0.001%，Co：0.5%，Si：0.2%，Ni：0.8%，Ta：0.15%，La：0.4%,Nb：3.1％，Ce：0.1，Zr：1.1%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的耐腐蚀钛合金航空发动机叶片，其特征在于：所述耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：1.0％，Al：8.1%，Cu：2.3%，Mn：1.2%，Cr：1.7%，Mo：1.8%，Nd：0.7%，H：0.0012%，Co：0.65%，Si：0.22%，Ni：0.83%，Ta：0.18%，La：0.5%,Nb：3.2％，Ce：0.13，Zr：1.2%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的耐腐蚀钛合金航空发动机叶片，其特征在于：所述耐腐蚀钛合金材料按质量分数计包括：Fe：1.1％，Al：8.0%，Cu：2.3%，Mn：1.15%，Cr：1.8%，Mo：1.9%，Nd：0.8%，H：0.0011%，Co：0.72%，Si：0.21%，Ni：1.1%，Ta：0.20%，La：0.48%,Nb：3.3％，Ce：0.15，Zr：1.3%，余量为 Ti 和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1-4任意所述的耐腐蚀钛合金航空发动机叶片的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一：按照上述合金成分比例配料，并将配料加入到真空自耗电弧炉中，在电弧炉炉内充惰性气体，压力维持在6000-7000Pa，然后将电流控制在18000A～20000A，电压40V，起弧熔炼，将合金原料熔化到所需重量后，翻转水冷铜坩埚，将合金液体倒入等离子喷涂特种耐火氧化物涂层的铸型模具中，得到钛合金叶片坯料；
步骤二：开坯锻造：先将所述钛合金叶片坯料放入加热炉内加热至850-980℃，保温3-4h，再将所述钛合金叶片坯料放入压力机上进行模锻变形，控制上模压下的速度在0.006-0.009mm，从而得到所述钛合金叶片锻件，其模锻变形量控制在50-70%；
步骤三：热处理：对钛合金叶片锻件进行消除应力退火—再结晶退火—固溶处理—时效处理，其中消除应力退火温度为550-650℃，空冷至200-220℃，然后进行再结晶退火，温度为750-800℃，空冷至400-450℃，固溶处理温度为900-960℃，时效处理温度为700-800℃，时间为4-6h，水冷至室温；
步骤四：将钛合金叶片锻件放入真空炉中，加入氯酸钾和 MnO2，真空度≤100Pa ，进行加热升温，升温到 850-900℃并进行保温1-2h，然后随炉冷却。
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