CN109536775A - 一种高温钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高温钛合金材料及其制备方法，属于钛合金领域。该高温钛合金由下述方法制备：将原料制成铸锭后，经锻造和热处理步骤，即制得所述高温钛合金；所述高温钛合金在650℃时:屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥580MPa，延伸率≥12％。本申请的高温钛合金的室温和高温的强度、塑性等力学性能优异。

Description

一种高温钛合金及其制备方法

技术领域

本申请涉及一种高温钛合金及其制备方法，具体涉及一种耐650℃以上的 高温钛合金及其制备方法，属于钛合金领域。

背景技术

高温钛合金具有密度低、比强度高、耐高温、抗蠕变性能以及抗疲劳性能 优异等特点，被广泛应用于先进航空航天发动机和火箭推进系统的耐高温结构 材料。目前高温钛合金的最高使用温度为600℃，随着新型航空航天飞行器飞 行速度的增加，气体热效应造成的飞行器壳体及其发动机部件使用温度瞬时可 达650～750℃，甚至更高，为了适应航空航天快速发展的要求，迫切需要开展 新型耐650℃以上高温钛合金的研制。

中国专利CN 106555076A公开了一种耐650℃高温钛合金材料及其制备 方法。该制备方法为配料、熔炼、铸造和等温锻造，最终得到新型高温钛合金 材料，制备的高温钛合金在650℃条件下的抗拉强度可达672.6MPa，屈服强度 为538.9MPa，延伸率为22.9％，然而在一些应用中需要高温钛合金具有较高 的强度才能满足应用需求，需要提高该高温钛合金的强度。

对于钛合金的高温抗蠕变性能，从蠕变机理考虑，降低合金的高温扩散系 数、增加蠕变过程中位错移动的阻力，能有效改善合金蠕变性能。对于合金热 稳定性能、蠕变性能和疲劳性能的匹配问题，关键是控制初生相的含量和次生 相的尺寸问题，存在的主要困难是近钛合金双向区太窄，很难控制热处理工艺。

发明内容

为了解决上述问题，提供了一种高温钛合金，该高温钛合金的室温和高温 的强度与塑性都达到了良好的匹配，具有广阔的应用前景。

所述高温钛合金由下述方法制备得到：将原料制成铸锭后，经锻造和热处 理的步骤，即制得所述高温钛合金；

所述铸锭由下述重量百分含量的成分组成：Al 6％-7％，Sn 2％-3％，Zr 8％ -10％，Mo 0.3％-0.7％，W 0.5％-1.5％，Nb 0.5％-1.5％，Si 0.2％-0.3％，Er 0.05％ -0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质；

所述高温钛合金在650℃时：抗拉强度≥650MPa，屈服强度≥580MPa， 延伸率≥12％。所述各元素含量均不为0。

进一步地，所述铸锭由下述重量百分含量的成分组成：Al 6.5％，Sn 2.5％， Zr9％，Mo 0.5％，W 1％，Nb 1％，Si 0.25％，Er 0.1％，余量为Ti和不可避 免的杂质。

可选地，所述高温钛合金在650℃时：抗拉强度的下限选自650MPa、 660MPa、670MPa或680MPa，上限选自700MPa、750MPa、900MPa或1100MPa； 屈服强度的下限选自580MPa、590MPa或600MPa，上限选自630MPa、650MPa、 700MPa、750MPa、800MPa、900MPa、1000MPa或1100MPa；延伸率的下限 选自12％、14％、16％或18％，上限选自14％、16％、18％、20％、25％或 30％。

可选地，所述高温钛合金在室温时：抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥ 990MPa，延伸率≥8％。进一步可选地，所述高温钛合金在的室温抗拉强度 1100-1200MPa，屈服强度990-1100MPa，延伸率8％-12.5％。

进一步可选地，所述高温钛合金在的室温时：抗拉强度的下限选自 1120MPa、1140MPa、1160MPa或1180MPa，上限选自1120MPa、1140MPa、 1160MPa或1180MPa；屈服强度的下限选1010MPa、1020MPa、1040MPa、 1060MPa或1080MPa，上限选自1010MPa、1020MPa、1040MPa、1060MPa 或1080MPa；延伸率的下限选自8％、10％、11％或12％，上限选自8％、10％、 11％或12％。

可选地，所述高温钛合金在650℃时的断面收缩率≥14％。进一步地，所 述高温钛合金在650℃时的断面收缩率≥19％。更进一步地，所述高温钛合金 在650℃时的断面收缩率19％-23％。再进一步地，所述高温钛合金在650℃时 的断面收缩率的下限选自20％、21％或22％，上限选自20％、21％或22％。

可选地，所述高温钛合金室温的断面收缩率≥9％。进一步可选地，所述 高温钛合金室温的断面收缩率9％-20％。更进一步可选地，所述高温钛合金室 温的断面收缩率的下限选自10％、12％、14％、16％或18％，上限选自10％、 12％、14％、16％或18％。

可选地，所述热处理步骤包括固溶处理，所述固溶处理为在920℃-980℃ 的温度下至少处理30min。

优选地，所述固溶处理为在940℃-950℃的温度下处理60-180min。

可选地，所述固溶处理结束后进行空气冷却或水冷却。

可选地，所述热处理还包括人工时效处理，所述人工时效处理在固溶处理 结束后，所述人工时效处理为在650℃-750℃处理至少3h后空气冷却至室温。

优选地，所述人工时效处理为在700℃处理4h后空气冷却至室温。

可选地，所述锻造温度为950℃-1050℃；优选的，所述锻造温度为980℃ -1020℃。

根据本申请的另一方面，提供了一种制备的高温钛合金的方法，该方法包 括：将原料制成铸锭后，经锻造和热处理步骤，即制得所述高温钛合金；

所述热处理步骤包括固溶处理，所述固溶处理为在920℃-980℃的温度下 至少处理30min。固溶处理的处理温度、保温时间和快速冷至室温，保留了近 α钛合金产生时效强化的亚稳相β相，促使已经析出的金属间化合物和硅化物 回溶。高温钛合金亚稳β晶粒内部会有细小的α相弥散析出(β→α+β)提高合 金的强度，而析出的细小弥散的硅化物、金属间化合物也将使合金强度进一步 提高。

优选地，所述固溶处理为在940℃-950℃的温度下处理60-180min。进一步 优选地，所述固溶处理为在950℃的温度下处理60min。

可选地，所述固溶处理结束后进行空气冷却(简称空冷/AC)或水冷却(简 称水冷/WQ)，不同冷却速度对组织影响非常显著，炉冷得到的是粗大的魏氏组 织，而提高冷却速度后组织向双态组织转变。相对于空冷，固溶处理后水冷的 组织更加细小。

可选地，所述热处理还包括人工时效处理，所述人工时效处理在固溶处理 结束后，所述人工时效处理为在650℃-750℃处理至少3h后空气冷却至室温。

优选地，所述人工时效处理为在700℃保持4h后空气冷却至室温。

可选地，所述锻造的温度为950℃-1050℃。进一步可选地，所述锻造温度 为980℃-1020℃。更进一步可选地，所述锻造的温度为950℃-1000℃。作为一 种实施方式，所述锻造的温度为980℃或1050℃。

可选地，所述锻造包括三火次多向锻造，所述三火次多向锻造包括下述步 骤：

1)将需要加工的钛合金加热至锻造温度后，保温50-60min，将炉温升高 10-100℃后，取出钛合金进行A火次多向锻造；

2)将步骤1)所得钛合金加热至锻造温度后，保温50-60min，将炉温升高 10-100℃后，取出钛合金进行B火次多向锻造；

3)将步骤2)所得钛合金加热至锻造温度后，保温50-60min，将炉温升高 10-100℃后，取出钛合金进行C火次多向锻造，冷却；

所述A火次多向锻造、B火次多向锻造和C火次多向锻造中的至少一次锻 造结束时钛合金的温度≥900℃，应变速率≤1s^-1；

所述A火次多向锻造、B火次多向锻造和C火次多向锻造中的至少一次锻 造步骤为：轴锻变形量为20％-25％，拔长变形量为30％-35％，总变形量＞80％。

可选地，每火次锻造多向锻造为三镦三拔或两镦两抜。

可选地，所述锻造包括两火次多向锻造，所述两火次多向锻造包括下述步 骤：

1)将需要加工的钛合金升温至锻造温度后，保温30-50min，然后进行第 一火次多向锻造；

2)将步骤1)所得钛合金回火保温5-15min，然后进行第二火次多向锻造， 空气中冷却；

所述第一火次多向锻造和/或第二火次多向锻造的步骤为：轴锻变形量为 30～50％，拔长变形量为20～40％；

所述第一火次多向锻造和/或第二火次多向锻造结束时钛合金的温度≥ 900℃，应变速率≤1s^-1；

将原料制成铸锭的操作包括利用真空自耗电弧炉和/或电子束冷床炉和/或 磁悬浮进行熔炼的步骤。

根据本申请的又一方面，提供了一种高温钛合金，其特征在于，其由上述 任一所述的方法制备。

本申请的有益效果包括但不限于：

1.本申请制备的高温钛合金，具有室温和高温(650℃及以上)的强度、 塑性等力学性能优异，且室温和高温的强度与塑性都达到了良好的匹配，高温 钛合金的综合机械性能优异。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部 分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不 当限定。在附图中：

图1(a)、(b)为本申请实施例的锻锭1#和锻锭2#的显微组织。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的涉及的原料等均通过商业途径购买。

本申请的实施例中分析方法如下：

材料拉伸试验依据HB 5143-96,《金属室温拉伸试验方法》制备实验样品， 分别在室温和650℃，50.2％RH条件下，在Z100电子万能材料试验机上进行。

高温蠕变持久性能试验依据HB5150-1996《金属高温拉伸持久试验方法》， 650/300MPa条件下，在CTM150702、CTM1507043、CTM150704、CTM150705、 CTM150706电子式高温蠕变持久试验机上进行。

利用LEICA DM6000M型金相显微镜观察金相组织。

利用QUANTAFEG 250型场发射扫描电子显微镜进行形貌观察。

实施例1高温钛合金铸锭1#的制备

原料选用0级小颗粒海绵钛，合金元素以AlMo60中间合金(Mo含量为 60％)、AlNb75中间合金、AlW55中间合金、TiSn80中间合金、TiSi10中间合 金、Ti-Er中间合金、海绵Zr颗粒的形式加入。选用真空自耗电弧炉三次熔炼 制备合金铸锭各30kg。

铸锭生产工艺流程为：原料→配料→制备合金包→压制单块电极→电极组 焊→一次自耗熔炼(Φ110mm铸锭)→铸锭平头→一次锭焊接→二次自耗熔 炼(Φ160mm铸锭)→二次锭锻造(φ80mm锻棒)→二次锭锻棒表面处理 →三次自耗熔炼(Φ160mm铸锭)→铸锭扒皮、取样→切冒口→成品锭。

制备的30kg级合金铸锭1#成分见表1，铸锭1#成分均匀性较好，冶金质 量稳定。

表1

实施例2高温钛合金锻锭1#、2#的制备

将实施例1铸造的铸锭1#，使用新型合金自由锻造设备630KN热模拟试 验机进行锻造制备锻锭1#。

锻锭1#的锻造步骤包括：

(1)保温过程：

当电炉炉温升至900℃时将铸锭装炉，随炉升温到980℃，保温时间40min；

(2)变形过程：两火次多向锻造

将铸锭出炉锻造，镦粗变形量为40％，然后拔长的变形量为30％，终锻温 度≥900℃；

回火保温10min，之后取出钛合金进行墩粗40％，拔长30％后，置于空气 中自然冷却，应变速率≤1s^-1，变形速率为0.02s^-1。

制备高温钛合金锻锭2#，锻锭2#与锻锭1#的制备方法不同之处在于：在 1050℃下进行锻造即制得锻锭2#。

实施例3高温钛合金锻锭1#、2#的性能测试

对实施例2制备的锻锭1#和锻锭2#的室温和650℃下的强度、塑性与断面 拉伸性能进行测试，测试结果如表2所示。

表2

分别在室温和高温的条件下测试锻锭1#与锻锭2#的机械性能，锻锭1#的 室温和高温的条件下测试的抗拉强度(σb)、屈服强度(σs)和延伸率(δ)都 较高，只有锻锭1#的650℃的断面延伸率(ψ)略有下降。锻锭1#的室温抗拉 强度(σb)和屈服强度(σs)分别达到了1118.37MPa和1026.18.2MPa。从表 2中可见，近等温锻造温度的降低，钛合金的室温强度和塑性得到提高，钛合 金的高温性能得到行优化。

分别测试锻锭1#和锻锭2#的显微组织图像，测试结果分别如图1(a)、(b) 所示。由图可知锻锭2#的某些区域还存在比较明显的晶界，合金呈网篮态组织。 锻锭1#合金中出现了球化的α相，为网篮+球状α相的双态组织。

在980℃的温度下锻造的锻锭1#具有更高强度和塑性，其机械性能优异。

实施例4高温钛合金锻锭1#、锻锭2#的固溶处理

分别对实施例2制备的锻锭1#、锻锭2#进行固溶处理步骤，处理的条件 如表3所示，冷却方式都为空冷。

表3

分别测试高温钛合金锻锭1#(980℃锻造)、锻锭2#(1050℃锻造)分别 经920℃/1h、940℃/1h、950℃/1h、960℃/1h、950℃/2h、950℃/3h固溶处理后 的显微组织。锻锭1#、锻锭2#经920℃/1h固溶后，片层状初生α相变为长条 状，在冷却过程中，从β转变基体中析出相互交错的针状次生α相，与长条状 初生α相交织在一起，形成针状网篮组织。锻锭1#、锻锭2#在920℃/1h固溶 处理的组织不够稳定，高温强度偏低，不能使硅化物充分回溶。锻锭1#、锻锭 2#在940℃/1h-950℃/1h固溶处理后长条状α相长径比增大，变得细长，部分 α相长大变粗。锻锭1#、锻锭2#在960℃/1h时，晶界α相出现，β晶粒形成， 合金的塑性降低。

随着固溶时间的增加，高温钛合金锻锭1#在950℃经不同时间固溶后的显 微组织组织并没有发生显著的变化。当固溶处理达到一定时间之后，钛合金的 显微组织对固溶处理时间不敏感，固溶处理温度对高温钛合金的固溶组织起着 决定性的作用。

经在950℃/1h的固溶处理的锻锭1#和锻锭2#具有更高的强度和塑性，其 机械性能优异。

实施例5高温钛合金1#-7#的制备和检测

以锻锭1#分别经过热处理1、热处理2和热处理4制得的高温钛合金1#、 2#和3#，以锻锭2#经过热处理1、热处理2、热处理3和热处理5制得的高温 钛合金4#-7#；其中，

热处理1：950℃/1h/AC(固溶处理)+700℃/4h/AC(人工时效处理)；

热处理2：950℃/1h/AC(固溶处理)+650℃/4h/AC(人工时效处理)；

热处理3：940℃/1h/AC(固溶处理)+700℃/4h/AC(人工时效处理)；

热处理4：960℃/1h/AC(固溶处理)+700℃/4h/AC(人工时效处理)；

热处理5：980℃/1h/AC(固溶处理)+700℃/4h/AC(人工时效处理)。

分别测试高温钛合金1#-7#的室温和高温的强度、延伸率、拉伸应力应变 曲线和断面收缩率，高温钛合金1#-7#具有良好的机械性能。经过700℃/4h/AC (空冷)的人工时效处理后，使得经固溶处理的锻锭1#、锻锭2#的亚稳β相 在时效过程中充分分解，同时促使硅化物弥散析出。以高温钛合金1#、3#、4#、 6#、7#为例说明检测的高温钛合金的机械性能，测试结果如表4所示。

表4

由表4的数据可知，本申请的高温钛合金的室温和高温的强度、塑性等力 学性能优异，可满足高温钛合金的特殊使用需求。铸锭1#、铸锭2#经热处理1： 950℃/1h/AC(固溶处理)+700℃/4h/AC(人工时效处理)制备的高温钛合金 的综合的机械性能相对较高。

实施例6高温钛合金的制备

将实施例1铸造的铸锭1#，使用新型合金自由锻造设备630KN热模拟试 验机进行锻造制备高温钛合金锻锭3#。

高温钛合金锻锭3#的锻造步骤包括：当电炉炉温升到900℃时铸锭入炉， 随炉升温到1050℃保温，保温时间按照铸锭尺寸计算，保温2h后随炉升温到 1050℃后开始锻造，两镦两拔的两火次多向锻造变形；

两火次多向锻造变形包括步骤：当电炉炉温升到900℃时坯料入炉，随炉 升温到1000℃保温，保温时间按照坯料尺寸计算，保温2h后随炉升温到 1100℃，保温20min后开始锻造，一镦一拔变形，每次换向变形量≤30％；

成品锻造工艺包括步骤：坯料表面包裹石棉布，当电炉炉温升到900℃时 坯料入炉，随炉升温到1000℃保温，保温时间按照坯料尺寸计算，保温2h后 随炉升温到1100℃后开始锻造，一镦一拔变形，每次换向变形量≤30％，成品 尺寸φ120mm×L。

锻锭3#经过热处理步骤：950℃/1h/AC(固溶处理)+700℃/4h/AC(人工 时效处理)制得高温钛合金8#。

分别测试锻锭3#、高温钛合金8#的室温和高温的强度、塑性、断面拉伸 性能、蠕变性能和U型槽冲击韧性。力学性能测试结果如表5所示，合金高 温蠕变性能如表6所示，合金U型槽冲击韧性如表7所示。

表5

表6

表7

由上述可知，本申请的高温钛合金的室温和高温的强度、塑性等力学性能、 蠕变性能、U型槽冲击韧性优异，可满足高温钛合金的使用的性能的需求。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体 实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说， 本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温钛合金，其特征在于，所述高温钛合金由下述方法制备得到：

将原料制成铸锭后，经锻造和热处理的步骤，即制得所述高温钛合金；

所述铸锭由下述重量百分含量的成分组成：Al 6％-7％，Sn 2％-3％，Zr 8％-10％，Mo0.3％-0.7％，W 0.5％-1.5％，Nb 0.5％-1.5％，Si 0.2％-0.3％，Er 0.05％-0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质；

所述高温钛合金在650℃时:抗拉强度≥650MPa，屈服强度≥580MPa，延伸率≥12％。

2.根据权利要求1所述的高温钛合金，其特征在于，所述高温钛合金在室温时，抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥990MPa，延伸率≥8％。

3.一种制备权利要求1或2所述的高温钛合金的方法，其特征在于，所述方法包括：

将原料制成铸锭后，经锻造和热处理步骤，即制得所述高温钛合金；

所述热处理步骤包括固溶处理，所述固溶处理为在920℃-980℃的温度下至少处理30min；

优选地，所述固溶处理为在940℃-950℃的温度下处理60-180min。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固溶处理结束后进行空气冷却或水冷却。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热处理还包括人工时效处理，所述人工时效处理在固溶处理结束后，所述人工时效处理为在650℃-750℃处理至少3h后空气冷却至室温。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述人工时效处理为在700℃处理4h后空气冷却至室温。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述锻造温度为950℃-1050℃；优选的，所述锻造温度为980℃-1020℃。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述锻造包括至少两火次多向锻造，所述两火次多向锻造包括下述步骤：

1)将需要加工的钛合金升温至锻造温度后，保温30-50min，然后进行第一火次多向锻造；

2)将步骤1)所得钛合金回火保温5-15min，然后进行第二火次多向锻造，空气中冷却；

所述第一火次多向锻造和/或第二火次多向锻造的步骤为：轴锻变形量为30～50％，拔长变形量为20～40％；

所述第一火次多向锻造和/或第二火次多向锻造结束时钛合金的温度≥900℃，应变速率≤1s^-1。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将原料制成铸锭的操作包括利用真空自耗电弧炉和/或电子束冷床炉和/或磁悬浮进行熔炼的步骤。

10.一种高温钛合金，其特征在于，其由权利要求3-9中任一项所述的方法制备。