CN109136650A

CN109136650A - 一种液态金属阻燃500-1200度用含Be钛合金

Info

Publication number: CN109136650A
Application number: CN201811193343.9A
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: 2018-10-14
Filing date: 2018-10-14
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明公开了一种液态金属阻燃500‑1200度用含Be钛合金。按照重量百分比,该合金的成分为:Be:1.0‑1.2wt.%,Sn:2.5‑2.8wt.%,In:3.0‑3.2wt.%,Bi:1.4‑1.6wt.%,W:0.2‑0.4wt.%,Ta:1.5‑1.8wt.%,Co:4.2‑4.5wt.%,Se:0.2‑0.4wt.%，余量为钛。该材料提供了一种基于在高温下钛合金表面形成低熔点液态金属的阻燃钛合金,为钛合金在高温下由于摩擦或者外火而燃烧提供了一种材料学上的解决方案。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

一种液态金属阻燃500-1200度用含Be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。

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。

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度下能够生成致密固态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，已经开发的有效阻燃钛合金都是靠表面生成致密固态氧化物来解决的，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，考虑到钛合金的活泼性，靠降低材料的氧化生成热也不现实。

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。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，提供一种液态金属阻燃500-1200度用含Be钛合金。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种液态金属阻燃500-1200度用含Be钛合金。按重量百分比计,合金的组成为Be:1.0-1.2wt.%,Sn:2.5-2.8wt.%,In:3.0-3.2wt.%,Bi:1.4-1.6wt.%,W:0.2-0.4wt.%,Ta:1.5-1.8wt.%,Co:4.2-4.5wt.%,Se:0.2-0.4wt.%，余量为钛。

上述一种液态金属阻燃500-1200度用含Be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3-5%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-520度，1.5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：320-350度固溶处理1.2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）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。可见,阻断外界环境对钛合金表面氧气供应是开发阻燃钛合金的一种技术手段。但是，目前而言国际和国内都是通过在钛合金中添加Cr和V在燃烧的过程中在钛合金表面生成一层致密的氧化物膜来解决钛合金燃烧的问题。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金属构成的保护层，由于这些熔点低的合金介质可以很好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。

（2）本专利的基本思路是当合金温度升高到一定温度后，钛合金中的一些存在于晶界的低熔点相会发生熔化，生成低熔点的液态金属。这些低熔点液态金属由于具有极其优异的表面张力而在钛合金表面铺展，形成了氧气和基体钛合金的隔离层。这些低熔点液态金属由于在合金表面充当了润滑剂的作用可以减小摩擦生热，同时由于屏蔽了氧气和钛合金的接触而有效地抑制了钛合金的燃烧。从而使得在高温下钛合金表面的干摩擦变成了液相润滑的摩擦，从而急剧减小了摩擦功和加热量。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。

（3）多元合金在凝固过程中，高熔点的组元会形成先析出相从熔体中析出，然后伴随着低熔点的固相在枝晶之间或者高熔点相的相界面之间析出。在铸造和热/冷加工后制备成钛合金后，这些低熔点的相会在晶间形成网络状的结构，并贯穿钛合金的基体中。在随后由于摩擦或者外火的原因而导致的钛合金升温过程中，接近热源的钛合金中低熔点相会在晶间熔化，并在钛合金表面形成致密的液态金属保护层。该液态金属经过合金成分优化后，可以有效地减少液相和固相间的表面张力，从而可得到光滑均匀的保护层。本专利申请的钛合金具有极低的晶间低熔点相熔化温度，维持在400-450度左右，且具有优异的导热系数（50-62W/m﹒K),而钛合金基体的导热系数一般在30 W/m﹒K左右。由于液态金属的导热性好且可以有效阻挡氧气的扩散，因而少量液相就可以达到必要的阻燃效果。而且这些低熔点液相的出现会使得摩擦系数和磨损率大大降低。

（4）本专利提出的钛合金拥有极佳的抗蚀性能和加工变形性能，能有效地控制初生相的产生，并细化组织。同时，合金元素可以净化晶界并减少晶间腐蚀，提高腐蚀抗力。此外，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金属层而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950-1120MPa，抗拉强度为1240-1320MPa，延伸率为10-12%。在保证具备阻燃性的同时，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

一种液态金属阻燃500-1200度用含Be钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Be:1.0wt.%,Sn:2.5wt.%,In:3.0wt.%,Bi:1.4wt.%,W:0.2wt.%,Ta:1.5wt.%,Co:4.2wt.%,Se:0.2wt.%，余量为钛。上述一种液态金属阻燃500-1200度用含Be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3-5%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-520度，1.5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：320-350度固溶处理1.2小时,随后空冷。

该合金具有极低的晶间低熔点相熔化温度，维持在425度左右，且具有优异的导热系数（54W/m﹒K),而钛合金基体的导热系数一般在30 W/m﹒K左右。由于液态金属的导热性好且可以有效阻挡氧气的扩散，因而少量液相就可以达到必要的阻燃效果。而且这些低熔点液相的出现会使得摩擦系数和磨损率大大降低。此外，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。此外，该材料具有传统钛合金的力学性能：屈服强度为958MPa，抗拉强度为1280MPa，延伸率为10%。在保证具备阻燃性的同时，便于工业化大规模应用。

实施例2

一种液态金属阻燃500-1200度用含Be钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Be:1.2wt.%,Sn:2.8wt.%,In:3.2wt.%,Bi:1.6wt.%,W:0.4wt.%,Ta:1.8wt.%,Co:4.5wt.%,Se:0.4wt.%，余量为钛。上述一种液态金属阻燃500-1200度用含Be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3-5%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-520度，1.5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：320-350度固溶处理1.2小时,随后空冷。

该合金具有极低的晶间低熔点相熔化温度，维持在412度左右，且具有优异的导热系数（58W/m﹒K),而钛合金基体的导热系数一般在30 W/m﹒K左右。由于液态金属的导热性好且可以有效阻挡氧气的扩散，因而少量液相就可以达到必要的阻燃效果。而且这些低熔点液相的出现会使得摩擦系数和磨损率大大降低。此外，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。此外，该材料具有传统钛合金的力学性能：屈服强度为994MPa，抗拉强度为1260MPa，延伸率为11%。在保证具备阻燃性的同时，便于工业化大规模应用。

实施例3

一种液态金属阻燃500-1200度用含Be钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Be:1.1wt.%,Sn:2.6wt.%,In:3.1wt.%,Bi:1.5wt.%,W:0.3wt.%,Ta:1.6wt.%,Co:4.4wt.%,Se:0.3wt.%，余量为钛。上述一种液态金属阻燃500-1200度用含Be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3-5%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-520度，1.5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：320-350度固溶处理1.2小时,随后空冷。

该合金具有极低的晶间低熔点相熔化温度，维持在442度左右，且具有优异的导热系数（60W/m﹒K),而钛合金基体的导热系数一般在30 W/m﹒K左右。由于液态金属的导热性好且可以有效阻挡氧气的扩散，因而少量液相就可以达到必要的阻燃效果。而且这些低熔点液相的出现会使得摩擦系数和磨损率大大降低。此外，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。此外，该材料具有传统钛合金的力学性能：屈服强度为1062MPa，抗拉强度为1305MPa，延伸率为12%。在保证具备阻燃性的同时，便于工业化大规模应用。

Claims

1.一种液态金属阻燃500-1200度用含Be钛合金；按照重量百分比,该合金的成分为:Be:1.0-1.2wt.%,Sn:2.5-2.8wt.%,In:3.0-3.2wt.%,Bi:1.4-1.6wt.%,W:0.2-0.4wt.%,Ta:1.5-1.8wt.%,Co:4.2-4.5wt.%,Se:0.2-0.4wt.%，余量为钛。

2.根据权利要求1所述一种液态金属阻燃500-1200度用含Be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所述一种液态金属阻燃500-1200度用含Be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3-5%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-520度，1.5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：320-350度固溶处理1.2小时,随后空冷。