CN109554576A

CN109554576A - 一种Er、B复合微合金化高温钛合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109554576A
Application number: CN201811507135.1A
Authority: CN
Inventors: 陈子勇; 马小昭; 柴丽华; 刘莹; 崔亚鹏; 舒群; 相志磊
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2019-04-02

Abstract

一种Er、B复合微合金化高温钛合金及其制备方法，属于钛合金材料领域。合金质量百分比Al:6％～7％，Sn:2％～3％，Zr:8％～10％，Mo:0.4％～0.8％，Nb:0.7％～1.5％，W:0.7％～1.3％，Si:0.2％～0.3％，Er:0.1％～0.2％，B:0.1％～0.4％和余量Ti。制备方法包含配料、感应悬浮熔炼、真空浇铸、等温锻造和热处理，最终得到一种Er、B复合微合金化高温钛合金。本发明制备的高温钛合金其锻态合金在650℃条件下具有优异的性能，此外，还具有优异的室温强度和塑性。此Er、B复合微合金化高温钛合金室温和高温(650℃)强度高，且强韧性匹配良好。

Description

一种Er、B复合微合金化高温钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Er、B复合微合金化高温钛合金及其制备方法，属于钛合金材料领域。

背景技术

钛合金具有密度低(4.5g/cm³，仅为铁或镍的一半)、比强度高、抗蚀性好和耐热性优异等突出优点，作为航空航天飞行器、先进武器系统的主要结构材料，可在保证结构件承载能力的同时最大可能的减轻其重量。其次钛在地壳中含量丰富，仅次于铝、铁、镁，为其大量使用提供了可能。钛合金在军用战机中应用的最高纪录是美国F22中的41％，F35中的用量也达到了27％，从以前的铝合金为主转变为以钛合金为主，国产战机钛合金用量从歼8的2％提高到了歼20的20％，提高了10倍，足以说明钛合金在国家军事发展过程中举足轻重的地位。

高温钛合金主要应用于制造航空发动机的压气机叶片、叶盘和机匣。目前国外第三代航空发动机F1100的钛合金的用量达到了25％，第四代航空发动机F119 的钛合金的用量达到了40％。我国第二代航空发动机钛合金用量为13％-15％，第三代航空发动机钛合金用量达到了25％。随着航空发动机性能和推重比的不断提高，压气机出口的温度也不断提高，迫切需要开发性能更优越，耐更高温度的新型高温钛合金。目前认为高温钛合金的“热障”温度为600℃，一方面由于目前Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si为基础的高温钛合金的固溶强化，α₂相和硅化物析出相强化基本已经达到极限，若要在保证稳定性的基础上通过合金化进一步提高合金的性能收效甚微。另一方面由于高温下表面氧化严重和“钛火”风险等因素导致目前高温钛合金的使用温度难以进一步提高。目前，广泛使用的耐600℃高温钛合金主要有Ti-1100(USA)，IMI834(UK)，BT36(Russia)，Ti60(china)和Ti600 (China)，随着大推重比发动机及高超音速飞行器的快速发展对材料耐高温性能提出了越来越高的要求，有必要开发650℃以上性能更加优越的新型高温钛合金。

发明内容

本发明通过采用难熔金属引入，多元合金化和微量陶瓷相的引入，提高合金高温强度，并达到高温下优良的强韧性匹配，提供一种性能优越的Er、B复合微合金化高温钛合金。

本发明的一种Er、B复合微合金化高温钛合金成分按质量百分比为：Al: 6％～7％，Sn:2％～3％，Zr:8％～10％，Mo:0.4％～0.8％，Nb:0.7％～1.5％， W:0.7％～1.3％，Si:0.2％～0.3％，Er:0.1％～0.2％，B:0.1％～0.4％和余量的 Ti制成。

上述含B高温钛合金制备工艺流程如下步骤所示：

(1)配料：原材料采用海绵钛(99.5％)，高纯铝(99.9％)，海绵锆(99.5％)，高纯硅(99.9％)，高纯B粉(99.9％)，Ti-Sn，Al-Mo，Al-Nb，Al-W和Al-Er；原材料的配比按照设定的质量百分比：Al:6％～7％，Sn:2％～3％，Zr:8％～ 10％，Mo:0.4％～0.8％，Nb:0.7％～1.5％，W:0.7％～1.3％，Si:0.2％～ 0.3％，Er:0.1％～0.2％，B:0.1％～0.4％和余量的Ti；将称量好的原料在圆柱状模具中进行坯料的压制，压制时最底层为钛，然后自下而上依层次排布高纯铝、Ti-Sn、Al-Er、海绵锆、高纯硼粉，高纯硅，Al-Nb、Al-Mo、Al-W，并在上述每种物质层之间采用钛层间隔；并保证坯料的直径小于坩埚的直径；将压制好的坯料放在干燥箱中在100-150℃下保温30-60min，为了除去原材料因为长期放置内部存留的湿气；

(2)感应悬浮熔炼：将压制好的坯料放入水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉的坩埚中进行熔炼，真空度为10^-3pa，通入氩气作为保护气体，熔炼功率为 150-170KW，熔体完全融化后，保证60-80s的熔体悬浮翻滚搅拌时间，此外，为了保证合金成分的均匀性和准确性，对铸锭进行多次同样工艺参数的熔炼；在最后一次熔炼之后将熔体倒入钢模具中进行浇铸，得到浇铸之后的铸锭。

(3)将步骤(2)的到浇铸铸锭切去冒口，得到圆柱形铸锭；

(4)等温锻造：在步骤(3)得到的铸锭表面涂一层防氧化涂料，防止铸锭在升温和锻造的过程中表面氧化严重，等待防氧化涂料变干后，再用保温棉将铸锭包裹，保证在转运和锻造的过程中温度不会发生严重的下降，将箱式电阻炉升温到950-1050℃，到温后将处理好的铸锭放入炉中，保温时间控制在 30min-50min；保温结束后迅速从炉中取出铸锭，并转移到锻造设备上进行等温锻造，应变速率为0.01s^-1-0.02s^-1，变形量为70％-80％；锻造后在空气中进行自然冷却，得到锻饼；

(5)热处理：从步骤(4)锻造后得到的锻饼上切取式样进行960-1040℃，1h-2h 固溶处理，固溶后空冷；随后在600-700℃/4-6h的条件下进行时效处理，时效之后空冷。

本文在Ti-Al-Si-Zr-Mo-Si系近α钛合金的基础上，通过难熔金属Nb和W的添加，提高合金的高温抗氧化性和稳定性。稀土元素Er的添加可以净化基体形成稀土氧化物，同时还能抑制Ti₃Al相的析出和长大，有助于热稳定性的提高，同时稀土元素能使硅化物细小均匀析出，提高合金的抗蠕变性能。B元素的与 Ti发生原位反应，一方面形成TiB晶须作为第二相起到强化基体的作用，另一方面B元素在合金熔体凝固过程中通过成分过冷的机制导致合金基体晶粒尺寸得到明显细化，同样起到增强增韧的作用，最终提高了合金的室温和高温(650℃) 性能，并达到了高温下强韧性的良好匹配。

附图说明

图1是铸态高温钛合金显微组织：(a)OM图；(b)OM放大图；(c)SEM图， TiB晶须。

图2是锻态高温钛合金显微组织：(a)OM图；(b)SEM图。

图3是热处理态高温钛合金显微组织。

表1是锻态和热处理钛高温钛合金在室温和高温(650℃)条件下的力学性能。

表2是常用耐600℃高温钛合金在室温和高温(600℃)条件下的力学性能。

具体实施方案

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

本实施方式的一种Er、B复合微合金化高温钛合金按照质量百分比配置方案为：Al:6.5％，Sn:2.5％，Zr:9％，Mo:0.5％，Nb:1％，W:1％，Si:0.25％，Er:0.1％， B:0.2％和余量的Ti制成。

本实施方式的一种Er、B复合微合金化高温钛合金制备方法按以下步骤：

(1)配料：原材料采用海绵钛(99.5％)，高纯铝(99.9％)，海绵锆(99.5％)，高纯硅(99.9％)，高纯B粉(99.9％)，Ti-Sn(Sn:80.05％)中间合金，Al-Mo (Mo:61.20％)中间合金，Al-Nb(Nb:64.18％)中间合金，Al-W(W:53.31％) 中间合金和Al-Er(Er:5.5％)中间合金。将原材料按照设定的质量百分比配比进行称量，对上述成分进行优选得到的质量百分比为：Al:6.5％，Sn: 2.5％，Zr:9％，Mo:0.5％，Nb:1％，W:1％，Si:0.25％，Er:0.1％，B:0.2％和余量的Ti制成。将称量好的原料在圆柱状模具中进行坯料的压制，压制时保证低熔点的原材料分布在坯料的下部高熔点的原材料分布在上部，然后自下而上依层次排布高纯铝、Ti-Sn、Al-Er、海绵锆、高纯硼粉，高纯硅， Al-Nb、Al-Mo、Al-W，并在上述每种物质层之间采用钛层间隔，并保证坯料的直径小于坩埚的直径(≈150mm)。将压制好的坯料放在干燥箱中在 100℃下保温30min，为了除去原材料因为长期放置在其内部存留的湿气。

(2)感应悬浮熔炼：将压制好的坯料放入水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉的坩埚中进行熔炼，真空度为8×10^-3pa，通入氩气作为保护气体，熔炼功率为 150KW，熔体完全融化后，保证80s的熔体悬浮翻滚搅拌时间，此外，为了保证合金成分的均匀性和准确性，对铸锭进行三次同样工艺参数的熔炼。在最后一次熔炼之后将熔体倒入Ф60mm×120mm模具中进行浇铸，得到浇铸之后的铸锭。

(3)将步骤(2)得到的浇铸铸锭用线切割切去冒口，得到Ф60×120mm圆柱形铸锭。

(4)等温锻造：在步骤(3)得到的铸锭表面涂一层防氧化涂料(Ti-1200)，防止铸锭在升温和锻造的过程中表面氧化严重，等待防氧化涂料变干后，再用保温棉将铸锭包裹，保证在转运和锻造的过程中温度不会发生严重的下降，将箱式电阻炉升温到1050℃，到温后将处理好的铸锭放入炉中，保温时间控制在40min。保温结束后迅速从炉中取出铸锭，并转移到锻造设备上进行等温锻造，应变速率为0.01s^-1，变形量为80％。锻造后在空气中进行自然冷却。

(5)热处理：从步骤(4)锻造后得到的锻饼上切取式样进行980℃/1h固溶处理，固溶后空冷。随后进行700℃/4h的时效处理，时效之后空冷。

用线切割从实施例1步骤(2)、(4)和(5)得到的铸锭、锻饼和固溶时效之后的式样上切取1cm³的方形式样进行微观组织的观察。从图1中发现铸态合金晶粒尺寸得到明显细化，大约为1-2μm左右。从图2中发现锻造后TiB晶须沿着特定的方向定向排列。用步骤(5)获得的高温钛合金进行力学性能测试，测试其在室温和650℃条件下的抗拉强度、屈服强度和延伸率，其力学性能参数如表1所示，表2为常用耐600℃高温钛合金室温和高温(600℃)下力学性能参数。从表1中可以看出Er、B复合微合金化高温钛合金室温和高温(650℃)条下均具有较高的强度和塑性，综合性能优异。对比表2，发现Er、B复合微合金化高温钛合金相比常用耐600℃高温钛合金室温强度明显提高，延伸率略有下降，Er、B复合微合金化高温钛合金650℃下高温强度相比600℃下的常用高温钛合金仍然有明显的提高，且塑性并没有明显下降，充分表明此材料具有优越的室温和高温性能，具有广阔的应用前景。

表1本发明实施例锻态和热处理态高温钛合金在室温和高温(650℃)条件下的力学性能

表2常用高温钛合金在室温和高温(600℃)条件下的力学性能

Claims

1.一种Er、B复合微合金化高温钛合金，其特征在于，合金成分按质量百分比为：Al:6％～7％，Sn:2％～3％，Zr:8％～10％，Mo:0.4％～0.8％，Nb:0.7％～1.5％，W:0.7％～1.3％，Si:0.2％～0.3％，Er:0.1％～0.2％，B:0.1％～0.4％和余量的Ti。

2.制备权利要求1所述的一种Er、B复合微合金化高温钛合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)配料：原材料采用海绵钛，高纯铝，海绵锆，高纯硅，高纯B粉，Ti-Sn，Al-Mo，Al-Nb，Al-W和Al-Er；原材料的配比按照设定的质量百分比：Al:6％～7％，Sn:2％～3％，Zr:8％～10％，Mo:0.4％～0.8％，Nb:0.7％～1.5％，W:0.7％～1.3％，Si:0.2％～0.3％，Er:0.1％～0.2％，B:0.1％～0.4％和余量的Ti；将称量好的原料在圆柱状模具中进行坯料的压制，压制时最底层为钛，然后自下而上依层次排布高纯铝、Ti-Sn、Al-Er、海绵锆、高纯硼粉，高纯硅，Al-Nb、Al-Mo、Al-W，并在上述每种物质层之间采用钛层间隔；并保证坯料的直径小于坩埚的直径；将压制好的坯料放在干燥箱中在100-150℃下保温30-60min，为了除去原材料因为长期放置内部存留的湿气；

(2)感应悬浮熔炼：将压制好的坯料放入水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉的坩埚中进行熔炼，真空度为10^-3pa，通入氩气作为保护气体，熔炼功率为150-170KW，熔体完全融化后，保证60-80s的熔体悬浮翻滚搅拌时间，此外，为了保证合金成分的均匀性和准确性，对铸锭进行多次同样工艺参数的熔炼；在最后一次熔炼之后将熔体倒入钢模具中进行浇铸，得到浇铸之后的铸锭；

(3)将步骤(2)的到浇铸铸锭切去冒口，得到圆柱形铸锭；

(4)等温锻造：在步骤(3)得到的铸锭表面涂一层防氧化涂料，防止铸锭在升温和锻造的过程中表面氧化严重，等待防氧化涂料变干后，再用保温棉将铸锭包裹，保证在转运和锻造的过程中温度不会发生严重的下降，将箱式电阻炉升温到950-1050℃，到温后将处理好的铸锭放入炉中，保温时间控制在30min-50min；保温结束后迅速从炉中取出铸锭，并转移到锻造设备上进行等温锻造，应变速率为0.01s^-1-0.02s^-1，变形量为70％-80％；锻造后在空气中进行自然冷却，得到锻饼；

(5)热处理：从步骤(4)锻造后得到的锻饼上切取式样进行960-1040℃，1h-2h固溶处理，固溶后空冷；随后在600-700℃/4-6h的条件下进行时效处理，时效之后空冷。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，海绵钛的纯度为99.5％，高纯铝的纯度为99.9％，海绵锆的纯度为99.5％，高纯硅的纯度为99.9％，高纯B粉的纯度为99.9％。