CN109136649A

CN109136649A - 一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金

Info

Publication number: CN109136649A
Application number: CN201811188415.0A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明公开了一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金。按照重量百分比,该合金的成分为:Li:1.5‑1.8wt.%,Sn:2.0‑3.0wt.%,Cu:2.0‑4.0wt.%,Ni:1.5‑1.8wt.%,Fe:1.2‑1.4wt.%,Sb:0.5‑0.8wt.%,Mn:1.2‑1.4wt.%,Te:0.2‑0.3wt.%，余量为钛。该材料是一种新型基于液态氧化物膜的阻燃钛合金，为钛合金在使用过程中防止急剧氧化提供了一种材料学的解决方案。该合金的实施和产业化会大大推动我国在高端领域对优质钛合金材料的商业升级需求。

Description

一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种钛合金。

背景技术

钛外观似钢，熔点达1672℃，属于难熔金属。钛的密度为4.51克/cm³，不足钢的60％，是难熔金属中密度最低的金属。在常用金属元素中，钛为仅次于铁、镁、铝的第四金属。经过合金化后，钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性。钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。很显然，钛合金作为尖端科学技术材料和高功能材料具有强大的生命力，是一种理想的结构材料和耐腐材料。

钛合金经过多年的发展已达到先进的水平，无论是低强度高塑性钛合金、中强度钛合金、高强度钛合金、超高强度钛合金、损伤容限钛合金、高温钛合金、阻燃钛合金和纤维增强钛基复合材料已经获得了很大的进步。随着中国的钛工业稳步发展，钛材应用逐年扩大。特别是随着民用工业的发展，各行业技术不断更新，设备向大型化、自动化、连续化和系列化方向发展，钛材的应用范围与数量逐年增加。但是近年来，随着各个领域机械的工作功率的增加，要求钛合金具有更为优异阻燃性能的需求也越来越迫切。

钛是容易钝化的金属，且在含氧环境中，其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。因此，钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性，只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。特别是钛对海水很稳定，将钛或钛合金放入海水中数年，取出后，仍光亮如初，远优于不锈钢。钛在常温下的空气中十分稳定。当加热到400～550℃时，则在表面生成一层牢固的氧化膜，起防止进一步氧化的保护作用。

尽管钛合金具有极其优异的强度和密度性能,并因此在众多领域得到非常广泛的应用。但是，钛合金有个非常明显的缺点，由于钛合金导热相对较慢，很多时候都会由于钛金属相互摩擦或者有其它原因产生火花而导致钛合金的燃烧。航空发动机钛火是一种典型的钛合金燃烧致灾故障，危害巨大，是现代航空发动机典型的灾难性故障。叶片与机匣之间的高能摩擦是主要的点火源，瞬间温度高达2700℃。钛火一旦发生，在高温、高压和高速的气流环境中呈裂变式发展，压气机零部件持续燃烧时间不超过20s，难以采取有效的灭火措施，造成叶片烧损、机匣烧穿，甚至烧毁整个发动机。

材料是人类社会赖以生存的物质基础，纵观人类发展的历史，每种重要新材料的发现和应用都把人类改造自然的能力提升到一个新的水平。在科技日新月异的当代社会，每一项重大科技的突破也很大程度上都是依赖于相应的新材料的发展。新材料是现代科技发展之本，现阶段高新技术的发展往往以新材料技术为突破。考虑到钛合金的应用领域和使用量，可以说新型钛合金材料的开发和应用，在某种程度上代表着一个国家的科技水平。开发、利用好我国的钛合金资源具有十分重要的现实意义。可以预见的是钛基合金会在工业领域和国防领域展现出更为广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金。按重量百分比计,合金的组成为Li:1.5-1.8wt.%,Sn:2.0-3.0wt.%,Cu:2.0-4.0wt.%,Ni:1.5-1.8wt.%,Fe:1.2-1.4wt.%,Sb:0.5-0.8wt.%,Mn:1.2-1.4wt.%,Te:0.2-0.3wt.%，余量为钛。

上述一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入；合金原料经氩气保护环境下配料和混料后，用压机压制成小电极；将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次；在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为520-560度，1.4个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：300-310度固溶处理1.5小时,随后空冷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）铝合金不存在火花危险，是因为氧化可以在铝合金的表面生成致密的氧化膜阻断氧向金属表面的进一步输送。钛在小于550度的温度下表面形成致密氧化膜TiO₂，可以对基体起到保护作用。然而，当钛合金被加热到温度高于550度的时候，便会在钛合金表面生成Ti₂O₃和Ti₃O₅。由于这两种氧化物的密度都高于TiO₂，原有的TiO₂氧化膜极易破裂失去密封作用，使得内部合金大量暴露在氧化剂中，使得短时间内热量生成远大于热量损失，造成温度急剧升高，最终促成燃烧。本专利就是为了解决钛合金在温度高于550度后的燃烧问题而提供了一种新型的阻燃钛合金，且该合金具有优异的力学性能。

（2）传统上，要解决钛合金的燃烧问题，需要从三个方面入手：（a）设计出一种在大于550度下能够生成致密氧化物的钛合金体系，使得钛合金由于该氧化物的屏蔽作用而产生阻燃。(b)通过材料的设计使得钛合金具有极其优异的导热性能，从而使得钛合金在温度上升到550度以上，能够由于导热而使得合金的温度快速下降到安全温度范围。（c）通过材料的设计使得钛合金的燃烧焓，也就是生成氧化物时的生成热大大降低。因而在发生摩擦或者氧化时不会因为产生大量的热量而使得温度急剧上升。但是从目前国内外阻燃钛合金的发展来看，已经开发的有效的阻燃钛合金都是靠表面生成致密的氧化物来解决的，而这种效果是通过在钛合金中添加V和Cr。靠提高钛合金的传热系数并不能有效的解决钛合金的阻燃问题，因为合金化后材料的传热性能降低很快。此外，靠降低材料的氧化生成热也不现实，考虑到钛合金的活泼性。本专利提出了一种崭新不同的解决方案，也就是在燃烧的过程中在钛合金表面生成一层液态的氧化物低熔点盐构成的保护层，由于这些熔点低的介质可以很好的附着在钛合金表面并完全铺展开来，因而能够有效地隔绝钛合金和空气中的氧的接触，因而阻止了钛合金的燃烧。

（3）通过优选合金中的主要和次要添加元素，在钛合金产生燃烧后在合金表面生成一层低熔点的氧化物的保护层，从而有效地防止在高温状态下钛合金发生燃烧现象。该合金的复合氧化物低熔点物由Li₂O，TeO₂，SnO₂组成，其中Li₂O是碱性氧化物，TeO₂和SnO₂属于酸性氧化物。这些碱性和酸性氧化物还会构成复合的盐（Li₂SnO₃，Li₂TeO₃等），因而该复合液态氧化物的熔点非常低，可以达到425-438度范围内，具有在钛合金表面优异的铺展性能。

（4）这种设计方法不仅可以大大降低合金元素使用量，在获得非常好的力学性能的同时还可以获得非常好的阻燃效果。本专利提出的钛合金具有极其优异的阻燃性能，可以达到在550-1200温度范围内在大气环境下5个小时而没有燃烧的现象。在钛合金表面受到快速摩擦或者外部火源的条件下，当钛合金表面致密的TiO₂氧化膜被破坏掉后，能够因为钛合金表面生成一层液态保护膜，成功的阻碍了合金的进一步氧化燃烧。且所得合金表面氧化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡氧气侵入合金液内。此外，该材料具有传统钛合金的力学性能：屈服强度为900--1100MPa，抗拉强度为1200-1300MPa，延伸率为8-12%。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金具备应用最为广泛的Ti-6Al-4V合金的力学性能水平，便于工业化大规模应用。可以预计，该钛合金在需要轻量化的器件（例如高性能发动机的组件）会取得令人满意的抗燃烧性能。

具体实施方式

实施例1

一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Li:1.5wt.%,Sn:2.0wt.%,Cu:2.0wt.%,Ni:1.5wt.%,Fe:1.2wt.%,Sb:0.5wt.%,Mn:1.2wt.%,Te:0.2wt.%，余量为钛。上述一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入；合金原料经氩气保护环境下配料和混料后，用压机压制成小电极；将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次；在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为520-560度，1.4个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：300-310度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该合金的复合氧化物低熔点物的熔点非常低，可以达到426度，具有在钛合金表面优异的铺展性能。该合金具有极其优异的阻燃性能，可以达到在550-1200温度范围内在大气环境下5个小时而没有燃烧的现象。在钛合金表面受到快速摩擦或者外部火源的条件下，当钛合金表面致密的TiO₂氧化膜被破坏掉后，能够因为钛合金表面生成一层液态保护膜，成功的阻碍了合金的进一步氧化燃烧。此外，该材料具有传统钛合金的力学性能：屈服强度为952MPa，抗拉强度为1203MPa，延伸率为8%。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金具备应用最为广泛的Ti-6Al-4V合金的力学性能水平，便于工业化大规模应用。

实施例2

一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Li:1.8wt.%,Sn:3.0wt.%,Cu:4.0wt.%,Ni:1.8wt.%,Fe:1.4wt.%,Sb:0.8wt.%,Mn:1.4wt.%,Te:0.3wt.%，余量为钛。上述一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入；合金原料经氩气保护环境下配料和混料后，用压机压制成小电极；将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次；在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为520-560度，1.4个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：300-310度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该合金的复合氧化物低熔点物的熔点非常低，可以达到430度，具有在钛合金表面优异的铺展性能。该合金具有极其优异的阻燃性能，可以达到在550-1200温度范围内在大气环境下5个小时而没有燃烧的现象。在钛合金表面受到快速摩擦或者外部火源的条件下，当钛合金表面致密的TiO₂氧化膜被破坏掉后，能够因为钛合金表面生成一层液态保护膜，成功的阻碍了合金的进一步氧化燃烧。此外，该材料具有传统钛合金的力学性能：屈服强度为982MPa，抗拉强度为1275MPa，延伸率为10%。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金具备应用最为广泛的Ti-6Al-4V合金的力学性能水平，便于工业化大规模应用。

实施例3

一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Li:1.6wt.%,Sn:2.5wt.%,Cu:2.8wt.%,Ni:1.6wt.%,Fe:1.3wt.%,Sb:0.6wt.%,Mn:1.3wt.%,Te:0.2wt.%，余量为钛。上述一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入；合金原料经氩气保护环境下配料和混料后，用压机压制成小电极；将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次；在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为520-560度，1.4个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：300-310度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该合金的复合氧化物低熔点物的熔点非常低，可以达到432度，具有在钛合金表面优异的铺展性能。该合金具有极其优异的阻燃性能，可以达到在550-1200温度范围内在大气环境下5个小时而没有燃烧的现象。在钛合金表面受到快速摩擦或者外部火源的条件下，当钛合金表面致密的TiO₂氧化膜被破坏掉后，能够因为钛合金表面生成一层液态保护膜，成功的阻碍了合金的进一步氧化燃烧。此外，该材料具有传统钛合金的力学性能：屈服强度为1068MPa，抗拉强度为1275MPa，延伸率为10%。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金具备应用最为广泛的Ti-6Al-4V合金的力学性能水平，便于工业化大规模应用。

Claims

1.一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金；按照重量百分比,该合金的成分为:Li:1.5-1.8wt.%,Sn:2.0-3.0wt.%,Cu:2.0-4.0wt.%,Ni:1.5-1.8wt.%,Fe:1.2-1.4wt.%,Sb:0.5-

0.8wt.%,Mn:1.2-1.4wt.%,Te:0.2-0.3wt.%，余量为钛。

2.根据权利要求1所述一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金，其特征在于包括如下冶炼步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入；合金原料经氩气保护环境下配料和混料后，用压机压制成小电极；将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次；在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。

3.根据权利要求1所述一种新型液态复合氧化物膜型含Li和Sn的阻燃钛合金，其特征在于包含如下加工步骤：将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为520-560度，1.4个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：300-310度固溶处理1.5小时,随后空冷。