CN110951993A - 一种600℃用铸造钛合金材料及其制备方法 - Google Patents

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CN110951993A CN201911287288.4A CN201911287288A CN110951993A CN 110951993 A CN110951993 A CN 110951993A CN 201911287288 A CN201911287288 A CN 201911287288A CN 110951993 A CN110951993 A CN 110951993A
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张利军
焦海峰
刘娣
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Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
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    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/03—Making non-ferrous alloys by melting using master alloys

Abstract

一种600℃用铸造钛合金材料及其制备方法，将零级海绵钛、海绵锆、Al‑Mo‑Nb‑Ti四元中间合金颗粒、Ti80Sn中间合金颗粒、Ti50Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉进行混料，并压制为电极块；将电极块组焊为长条状电极；将条状电极作为自耗电极进行两次熔炼，铸锭；本发明配方Ti‑6.6Al‑2.5Mo‑2.0Zr‑2.0Sn‑1.2Nb‑0.15Si‑0.12O生产的钛合金铸件，可长期在550℃至600℃环境下服役，使用温度提高了50℃至100℃，工程意义重大。其室温抗拉强度在950MPa‑1100MPa之间、600℃高温抗拉强度在680MPa‑700MPa之间。

Description

一种600℃用铸造钛合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于钛合金材料制造领域，涉及一种600℃用铸造钛合金材料及其制备方法，应用技术领域包括航空发动机制造、航天飞行器制造、化工能源装备制造、兵器舰船装备制造等行业。
背景技术
钛合金材料由于其相对低密度低、比强度高、良好的高温性能以及优异的抗腐蚀性能与抗电磁性能，是理想的航空、航天、舰船、兵器工业使用的结构用金属材料，钛合金材料已经成为航空、航天、舰船等高端工业广泛使用的金属结构材料。目前，钛合金材料的使用主要以变形材为主，如各种锻轧棒材、板材、管材、锻件等，对于一些结构相对复杂的结构件也有使用钛合金铸件材的，但是数量相对变形材要少得多。
近年来我们国家为发展钛合金铸件，仿制美国的Ti6242S研制出了ZTC6铸造钛合金材料、仿制俄罗斯的BT20研制出了ZTA15铸造钛合金材料，主要应用于第三代航空发动机环件的铸造生产，其使用温度上限不超过500℃。新的航空发动机、航天飞行器对铸造钛合金材料的使用温度提出了更高的要求，目前大多数设计要求铸造钛合金部件的工作环境为500℃至600℃，甚至更高。为解决我国新一代航空发动机、航天飞行器、化工能源装备、舰船动力装备对550℃至600℃环境下服役铸造钛合金材料的需求，有必要提供一种可在550℃至600℃下长时间服役的高强铸造钛合金材料及其铸造母合金制备方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种铸造性能及高低温力学性能良好的可在550℃至600℃下长时间服役的600℃用铸造钛合金材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种600℃用铸造钛合金材料，名义成分：Ti-6.6Al-2.5Mo-2.0Zr-2.0Sn-1.2Nb-0.15Si-0.12O，按照质量百分比计，包含以下组分：
Al：5.8％～7.5％；
Mo：1.6％～3.5％；
Zr：1.2％～3.2％；
Sn：1.2％～3.2％；
Nb：0.8％～2.0％；
Si：0.12％～0.35％；
O：0.06％～0.20％；
Fe：0.05％～0.20％；
C：≤0.30％；
N：≤0.03％；
H：≤0.015％；
Ti：余量。
一种如上所述的600℃用铸造钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按照组分质量百分比，将零级海绵钛、海绵锆、Al-Mo-Nb-Ti四元中间合金颗粒、Ti80Sn中间合金颗粒、Ti50Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉进行混料，并压制为电极块；
2)将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极进行熔炼，获得一次锭；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极进行二次熔炼，获得二次锭；
5)将二次锭冷却后出炉，得到铸锭；
6)将铸锭加热后进行开坯锻造为棒材。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，熔炼电流为6～26KA，熔炼电压为25～45V。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，熔炼电流为8～32KA，熔炼电压为28～50V。
本发明进一步的改进在于，步骤3)和步骤4)中，均是在在真空自耗电弧炉中进行熔炼。
本发明进一步的改进在于，步骤5)中，将二次锭冷却到350℃以下出炉。
本发明进一步的改进在于，步骤6)中加热的温度为1000～1200℃。
本发明进一步的改进在于，步骤6)中棒材的直径为120～420mm。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明配方Ti-6.6Al-2.5Mo-2.0Zr-2.0Sn-1.2Nb-0.15Si-0.12O生产的钛合金铸件，可长期在550℃至600℃环境下服役，使用温度提高了50℃至100℃，工程意义重大。其室温抗拉强度在950MPa-1100MPa之间、600℃高温抗拉强度在680MPa-700MPa之间。Al：α稳定元素，固溶强化，一般Al当量应限制在8％以下。
Sn、Zr：中性元素，补充强化。另外，Sn还可以降低合金对氢脆的敏感性。
Mo、Nb：稳定β相，合金中添加少量的Mo可以使合金具有良好的高温蠕变性能和热稳定性的配合。
Si元素：硅化物的弥散析出对晶界起钉扎作用，可以抑制固溶过程中晶粒的长大。可有效提高钛合金的力学性能、抗氧化性以及铸造性能，在不改变现有合金体系基本性质的情况下，优化钛合金的性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
本发明的核心内容是钛合金材料成分配比，即这种550℃至600℃高温用铸造钛合金材料，按照质量百分比，包含以下组分(按质量百分数计)：
名义成分：Ti-6.6Al-2.5Mo-2.0Zr-2.0Sn-1.2Nb-0.15Si-0.12O
Ti：基体(余量)；
Al：5.8％～7.5％；
Mo：1.6％～3.5％；
Zr：1.2％～3.2％；
Sn：1.2％～3.2％；
Nb：0.8％～2.0％；
Si：0.12％～0.35％；
O：0.06％～0.20％；
Fe：0.05％～0.20％；
C：≤0.30％；
N：≤0.03％；
H：≤0.015％；
其他杂质元素：单个≤0.10％、总和≤0.40％。
本发明提出一种在550℃至600℃高温用铸造钛合金材料及其母合金制备方法，包括以下步骤：
1)按照组分含量进行混料，使用压力机及模具压制为电极块；
2)采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制得的长条状电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼，获得一次锭；其中，熔炼电流6～26KA，熔炼电压控制在25～45V。
4)将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔，炼获得二次锭；其中，熔炼电流8～32KA，熔炼电压控制在28～50V。
5)将二次锭冷却到350℃以下出炉。
6)将铸锭取样进行化学成分测试。
7)将铸锭在1000～1200℃加热后进行开坯锻造为
Figure BDA0002318380740000051
直径的棒材，
8)棒材按照订货要求锯切、扒皮、平端面去除氧化皮。
9)将锻造的棒材作为自耗电极，采用真空自耗凝壳炉进行熔炼浇注，获得铸件及附铸试棒，测试附铸试棒的室温及600℃高温力学性能、高温持久及蠕变性能。
下面为具体实施例。
实施例1
200公斤级别钛合金铸锭及其棒材制备：
(1)配料及电极压制：
名义成分：Ti-6.6Al-2.5Mo-2.0Zr-2.0Sn-1.2Nb-0.15Si-0.12O
按照成分范围，选用零级海绵钛、海绵锆、Al-Mo-Nb-Ti四元中间合金颗粒、Ti80Sn中间合金颗粒、Ti50Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉，混料200Kg，用压力机压制成单块重量为10Kg的块状电极。
(2)电极制备：
采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为7.5KA，熔炼电压控制在28-33V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为9.5KA，熔炼电压控制在30-35V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到350℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)取样
用车床平头及扒皮后，在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表1所示：
表1制备的200公斤级别钛合金铸锭化学成分
Figure BDA0002318380740000061
(7)铸锭开坯锻造
将车光并锯切好的铸锭在加热到1150℃保温3小时后出炉开坯锻造：
Figure BDA0002318380740000062
(8)钼合金棒材成品加工
锯切、扒皮、平端面：
Figure BDA0002318380740000063
(9)将锻造的棒材作为自耗电极，采用真空自耗凝壳炉进行熔炼浇注，获得铸件及附铸试棒，测试附铸试棒的室温及600℃高温拉伸性能。性能检测结果见表2。且其在600℃，450MPa应力下持久时间可达10h以上，600℃，450MPa拉应力下蠕变伸长率0.57％，塑性伸长率0.14％。具有良好的高温蠕变性能。
表2 Ti-6.6Al-4.0Mo-2.0Zr-0.20Fe-0.25Si-0.12O铸造钛合金室温及高温拉伸性能
Figure BDA0002318380740000071
实施例2
1200公斤级别钛合金铸锭及其锻件制备：
(1)配料及电极压制：
名义成分：Ti-6.6Al-2.5Mo-2.0Zr-2.0Sn-1.2Nb-0.15Si-0.12O
按照成分范围，选用零级海绵钛、海绵锆、Al-Mo-Nb-Ti四元中间合金颗粒、Ti-Sn中间合金颗粒、Ti-Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉，混料1200Kg，用压力机压制成单块重量为60Kg的块状电极。
(2)电极制备：
采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为9.5KA，熔炼电压控制在30-34V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为15KA，熔炼电压控制在31-36V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到350℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)扒皮、切冒口、取样
用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表3所示：
表3制备的1200公斤级别钛合金铸锭化学成分
Figure BDA0002318380740000081
(7)铸锭开坯锻造
将车光并锯切好的铸锭在加热到1150℃保温5小时后出炉开坯锻造：
Figure BDA0002318380740000082
(8)母合金棒材成品加工
锯切、扒皮、平端面：
Figure BDA0002318380740000083
(9)将锻造的棒材作为自耗电极，采用真空自耗凝壳炉进行熔炼浇注，获得铸件及附铸试棒，测试附铸试棒的室温及600℃高温拉伸性能。性能检测结果见表4。且其在600℃，450MPa应力下持久时间可达10h以上，600℃，450MPa拉应力下蠕变伸长率0.55％，塑性伸长率0.15％。具有良好的高温蠕变性能。
表4 Ti-6.6Al-4.0Mo-2.0Zr-0.20Fe-0.25Si-0.12O铸造钛合金室温及高温拉伸性能
Figure BDA0002318380740000084
Figure BDA0002318380740000091
实施例3
3000公斤级别钛合金铸锭及其板材制备：
(1)配料及电极压制：
名义成分：Ti-6.6Al-2.5Mo-2.0Zr-2.0Sn-1.2Nb-0.15Si-0.12O
按照成分范围，选用零级海绵钛、海绵锆、Al-Mo-Nb-Ti四元中间合金颗粒、Ti-Sn中间合金颗粒、Ti-Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉，混料3200Kg，用压力机压制成单块重量为80Kg的块状电极。
(2)电极制备：
采用真空等离子焊机将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为19KA，熔炼电压控制在32-38V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为21KA，熔炼电压控制在33-40V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到350℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)扒皮、切冒口、取样
用车床平头及扒皮后，进行超声波探伤确定铸锭冒口位置并锯切冒口，同时在铸锭的头部及上、中、下分别取块状和屑状试样进行成分分析，化学成分分析结果如表5所示：
表5制备的3200公斤级别钛合金铸锭化学成分
Figure BDA0002318380740000101
(7)铸锭开坯锻造
将车光并锯切好的铸锭在加热到1150℃保温6小时后出炉开坯锻造：
Figure BDA0002318380740000102
(8)母合金棒材成品加工
锯切、扒皮、平端面：
Figure BDA0002318380740000103
(9)将锻造的棒材作为自耗电极，采用真空自耗凝壳炉进行熔炼浇注，获得铸件及附铸试棒，测试附铸试棒的室温及600℃高温拉伸性能。性能检测结果见表6。且其在600℃，450MPa应力下持久时间可达10h以上，600℃，450MPa拉应力下蠕变伸长率0.54％，塑性伸长率0.13％。具有良好的高温蠕变性能。
表6 Ti-6.6Al-4.0Mo-2.0Zr-0.20Fe-0.25Si-0.12O铸造钛合金室温及高温力学性能
Figure BDA0002318380740000104
Figure BDA0002318380740000111
实施例4
(1)配料及电极压制：
按照组分质量百分比，Al：7.5％；Mo：3.5％；Zr：1.2％；Sn：2.5％；Nb：0.8％；Si：0.12％；O：0.20％；Fe：0.20％；C：≤0.30％；N：≤0.03％；H：≤0.015％；Ti：余量。
将零级海绵钛、海绵锆、Al-Mo-Nb-Ti四元中间合金颗粒、Ti80Sn中间合金颗粒、Ti50Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉进行混料，并压制为电极块；
(2)电极制备：
采用氩气保护等离子焊将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为6KA，熔炼电压控制在45V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为32KA，熔炼电压控制在50V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到350℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)将铸锭加热到1000℃后进行开坯锻造为直径120mm的棒材。
实施例5
(1)配料及电极压制：
按照组分质量百分比，Al：6％；Mo：3％；Zr：2％；Sn：1.8％；Nb：1％；Si：0.35％；O：0.10％；Fe：0.10％；C：≤0.30％；N：≤0.03％；H：≤0.015％；Ti：余量。
将零级海绵钛、海绵锆、Al-Mo-Nb-Ti四元中间合金颗粒、Ti80Sn中间合金颗粒、Ti50Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉进行混料，并压制为电极块；
(2)电极制备：
采用真空电子束焊将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为20KA，熔炼电压控制在25V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为8KA，熔炼电压控制在28V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到350℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)将铸锭加热到1200℃后进行开坯锻造为直径420mm的棒材。
实施例6
(1)配料及电极压制：
按照组分质量百分比，Al：6.5％；Mo：2％；Zr：2.5％；Sn：1.2％；Nb：1.5％；Si：0.2％；O：0.15％；Fe：0.15％；C：≤0.30％；N：≤0.03％；H：≤0.015％；Ti：余量。
将零级海绵钛、海绵锆、Al-Mo-Nb-Ti四元中间合金颗粒、Ti80Sn中间合金颗粒、Ti50Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉进行混料，并压制为电极块；
(2)电极制备：
采用真空电子束焊将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为10KA，熔炼电压控制在30V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为15KA，熔炼电压控制在35V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到350℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)将铸锭加热到1100℃后进行开坯锻造为直径300mm的棒材。
实施例7
(1)配料及电极压制：
按照组分质量百分比，Al：5.8％；Mo：1.6％；Zr：3.2％；Sn：3.2％；Nb：2％；Si：0.3％；O：0.06％；Fe：0.05％；C：≤0.30％；N：≤0.03％；H：≤0.015％；Ti：余量。
将零级海绵钛、海绵锆、Al-Mo-Nb-Ti四元中间合金颗粒、Ti80Sn中间合金颗粒、Ti50Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉进行混料，并压制为电极块；
(2)电极制备：
采用真空电子束焊将压制好的电极块组焊成长条状电极。
(3)制备一次锭
用上一步制得的电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行熔炼获得一次锭，熔炼电流为15KA，熔炼电压控制在35V。
(4)制备铸锭
将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼获得成品铸锭，熔炼电流为20KA，熔炼电压控制在40V。
(5)冷却
熔炼完成后铸锭要求冷却到350℃以下出炉，避免未冷却的铸锭出炉后发生氧化等缺陷。
(6)将铸锭加热到1050℃后进行开坯锻造为直径200mm的棒材。

Claims (9)

1.一种600℃用铸造钛合金材料，其特征在于，名义成分：Ti-6.6Al-2.5Mo-2.0Zr-2.0Sn-1.2Nb-0.15Si-0.12O，按照质量百分比计，包含以下组分：
Al：5.8％～7.5％；
Mo：1.6％～3.5％；
Zr：1.2％～3.2％；
Sn：1.2％～3.2％；
Nb：0.8％～2.0％；
Si：0.12％～0.35％；
O：0.06％～0.20％；
Fe：0.05％～0.20％；
C：≤0.30％；
N：≤0.03％；
H：≤0.015％；
Ti：余量。
2.一种如权利要求1所述的600℃用铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照组分质量百分比，将零级海绵钛、海绵锆、Al-Mo-Nb-Ti四元中间合金颗粒、Ti80Sn中间合金颗粒、Ti50Si中间合金颗粒、Al豆以及钛白粉进行混料，并压制为电极块；
2)将压制好的电极块组焊为长条状电极；
3)用步骤2)制得的条状电极作为自耗电极进行熔炼，获得一次锭；
4)将一次锭倒置并作为自耗电极进行二次熔炼，获得二次锭；
5)将二次锭冷却后出炉，得到铸锭；
6)将铸锭加热后进行开坯锻造为棒材。
3.根据权利要求2所述的600℃用铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，采用真空等离子焊、氩气保护等离子焊或真空电子束焊，将压制好的电极块组焊为长条状电极。
4.根据权利要求2所述的600℃用铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，熔炼电流为6～26KA，熔炼电压为25～45V。
5.根据权利要求2所述的600℃用铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中，熔炼电流为8～32KA，熔炼电压为28～50V。
6.根据权利要求2所述的600℃用铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤3)和步骤4)中，均是在在真空自耗电弧炉中进行熔炼。
7.根据权利要求2所述的600℃用铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中，将二次锭冷却到350℃以下出炉。
8.根据权利要求2所述的600℃用铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤6)中加热的温度为1000～1200℃。
9.根据权利要求2所述的600℃用铸造钛合金材料的制备方法，其特征在于，步骤6)中棒材的直径为120～420mm。
CN201911287288.4A 2019-12-14 2019-12-14 一种600℃用铸造钛合金材料及其制备方法 Pending CN110951993A (zh)

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