CN111014651A - 一种用于700~750℃的短纤维增强高温钛合金粉末及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末及其制备方法，所述合金组分以质量百分比为：Al 5.0～7.0％，Sn 1.5～4.5％，Zr 2.0～4.5％，Mo 0.1～1.0％，Si 0.1～0.6％，Nb 0.1～0.8％，Ta 0.1～1.8％，B 0.1～1.2％，C≤0.08％，Fe＜0.3％，O＜0.15％，N＜0.05％，H＜0.012％，余量为Ti和不可避免的杂质。其粉末的制备方法包括：采用经2～3次真空自耗熔炼成合金铸锭，于1150～1250℃锻造至直径为50mm棒材，再将棒材表面车光，加工成直径为20～40mm、长度为100～500mm的电极，然后采用无坩埚感应熔化气雾化技术制备合金粉末。本发明制备的一种用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末合金粉末O的质量分数不超过0.12％，平均粒径为85～110μm，粒径小于50μm的合金粉末所占体积分数不低于30％。
Description
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及到一种短纤维增强高温钛合金粉末及其制备方法。
背景技术
高温钛合金具有优异的高温力学性能，且密度远低于高温合金，是航空航天领域制备轻质、高温、高强结构的重要材料之一。目前国内外高温钛合金的最高长时使用温度为600℃，短时应用可达700～750℃，代表合金有英国的IMI834、美国的Ti-1100、俄罗斯的BT18Y和BT36、中国的Ti60(国标牌号TA33)等。为满足更先进航空航天飞行器的使用要求，在传统高温钛合金基础上添加B元素控制TiB晶须析出，实现短纤维增强的效果，可显著提高高温钛合金的使用温度和强度。
高温钛合金热加工难度较大，变形火次多，生产周期长，材料利用率很低，生产成本居高不下，也限制了高温钛合金的更大范围应用。为此，粉末冶金和增材制造为代表的近净成形技术受到越来越多的关注。粉末冶金采用压制成形、烧结和后续处理的方法把粉末固结成形，通过优化包套的结构设计，材料利用率可以达到90％以上。激光选取熔化(SLM)和电子束选区熔化(EBM)是最为成熟的两类增材制造技术，基于“离散-堆积”的原理逐层堆积成三维实体，目前已成功用于航空发动机小型精密构件和航空大型复杂零件的直接成形。粉末冶金和SLM、EBM等增材制造技术都需要相应的钛合金粉末作原材料，无坩埚感应熔化气雾化法和等离子旋转电极法是目前主流的钛合金粉末制备方法，其中，无坩埚感应熔化气雾化法具有粉末粒度分布广、细粉收得率高的特点，因而被广泛用于制造粉末冶金和增材制造金属粉末。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末及其制备方法，为此类高温钛合金的粉末冶金和增材制造提供原材料保障。
本发明技术方案如下：
一种用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末，其特征在于：
所述合金组分以质量百分比为：Al 5.0～7.0％，Sn 1.5～4.5％，Zr 2.0～4.5％，Mo 0.1～1.0％，Si 0.1～0.6％，Nb 0.1～0.8％，Ta 0.1～1.8％，B 0.1～1.2％，C≤0.08％，Fe＜0.3％，O＜0.15％，N＜0.05％，H＜0.012％，余量为Ti和不可避免的杂质；采用无坩埚感应熔化气雾化技术制备合金粉末。
本发明还提供了所述短纤维增强高温钛合金粉末的制备方法，其特征在于，根据所需成分配料并熔炼成合金铸锭，所得铸锭于1150～1250℃锻造至直径为50mm棒材，再将棒材表面车光，加工成直径为20～40mm、长度为100～500mm的电极(优选为35～40mm，长度为380～420mm)，然后采用无坩埚感应熔化气雾化技术制备合金粉末，具体工艺参数如下：
电流为3.2～4.0A；电压为450～480V；频率为160～185kHz；氩气流量为15～25Nm3/min；喷嘴气压为2.5～3.5MPa。
进一步优选为：电流为3.5～3.8A，电压为470～480V，频率为170～180kHz，喷嘴气压为2.9～3.1MPa。
采用本发明所述方法所得短纤维增强高温钛合金粉末具有以下特征：
1)合金粉末O的质量分数不超过0.12％；
2)合金粉末粒径分布符合正态分布，平均粒径为85～110μm；
3)粒径小于50μm的合金粉末所占体积分数不低于30％。
本发明具有以下优点：
1)本发明的高温钛合金引入TiB短纤维增强机制，显著提高合金的强度，尤其是高温强度，可在最高750℃短时应用。
2)合金粉末无成分偏析，有利于在粉末冶金、激光选区熔化、电子束选区熔化等方式制造的成形件中形成均匀细密的TiB晶须，获得更好的强化效果。
3)合金粉末粒度分布广，细粉收得率(粒径50μm以下粉末体积分数)不低于30％；
4)合金粉末氧含量不高于0.12％(wt.)。
具体实施方式
实施例1
1)铸锭熔炼：经2～3次真空自耗熔炼获得合金铸锭，铸锭合金成分按质量百分比为Al 5.8％，Sn 2.3％，Zr3.4％，Mo 0.7％，Si 0.25％，Nb 0.4％，Ta 0.4％，Fe 0.02％，C0.06％，B 0.3％，O 0.08％，N 0.003％，H 0.003％，余量为Ti和不可避免的杂质。
2)铸锭于1200℃开坯锻造，经多火次锻造至直径50mm，将锻棒机加成直径40mm、长度400mm的电极棒；
3)将电极棒置于无坩埚感应熔化气雾化设备内，抽真空至5×10-2Pa再充入氩气，设置电流为3.6A，电压为470V，频率为175kHz，气流量为20Nm3/min，喷嘴气压为3.0MPa，获得合金粉末；
所得粉末O质量分数为0.11％，平均粒径～95μm，粒径50μm以下粉末体积分数为34％。
实施例2
1)铸锭熔炼：经2～3次真空自耗熔炼获得合金铸锭，铸锭合金成分按质量百分比为Al 5.2％，Sn 3.2％，Zr4.1％，Mo 0.68％，Si 0.3％，Nb 0.4％，Ta 0.45％，Fe 0.018％，C 0.06％，B 0.3％，O 0.08％，N 0.003％，H 0.003％，余量为Ti和不可避免的杂质。
2)铸锭于1200℃开坯锻造，经多火次锻造至直径50mm，将锻棒机加成直径35mm、长度380mm的电极棒；
3)将电极棒置于无坩埚感应熔化气雾化设备内，抽真空至5×10-2Pa再充入氩气，设置电流为3.8A，电压为480V，频率为180kHz，气流量为20Nm3/min，喷嘴气压为2.9MPa，获得合金粉末；
所得粉末O质量分数为0.1％，平均粒径～100μm，粒径50μm以下粉末体积分数为32％。
实施例3
1)铸锭熔炼：经2～3次真空自耗熔炼获得合金铸锭，铸锭合金成分按质量百分比为Al 6.7％，Sn 1.8％，Zr 2.2％，Mo 0.5％，Si 0.2％，Nb 0.7％，Ta 1.55％，Fe 0.016％，C 0.04％，B 0.25％，O 0.08％，N 0.002％，H 0.003％，余量为Ti和不可避免的杂质。
2)铸锭于1200℃开坯锻造，经多火次锻造至直径50mm，将锻棒机加成直径38mm、长度380mm的电极棒；
3)将电极棒置于无坩埚感应熔化气雾化设备内，抽真空至5×10-2Pa再充入氩气，设置电流为3.8A，电压为475V，频率为180kHz，气流量为23Nm3/min，喷嘴气压为3.1MPa，获得合金粉末；
所得粉末O质量分数为0.12％，平均粒径～90μm，粒径50μm以下粉末体积分数为36％。
实施例4
1)铸锭熔炼：经2～3次真空自耗熔炼获得合金铸锭，铸锭合金成分按质量百分比为Al 5.8％，Sn 2.3％，Zr3.4％，Mo 0.25％，Si 0.25％，Nb 0.5％，Ta 1.0％，Fe 0.013％，C 0.05％，B 0.7％，O 0.09％，N 0.003％，H 0.003％，余量为Ti和不可避免的杂质。
2)铸锭于1200℃开坯锻造，经多火次锻造至直径50mm，将锻棒机加成直径40mm、长度410mm的电极棒；
3)将电极棒置于无坩埚感应熔化气雾化设备内，抽真空至5×10-2Pa再充入氩气，设置电流为3.5A，电压为470V，频率为170kHz，气流量为18Nm3/min，喷嘴气压为2.9MPa，获得合金粉末；
所得粉末O质量分数为0.11％，平均粒径～105μm，粒径50μm以下粉末体积分数为35％。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末，其特征在于：
所述合金组分以质量百分比为：Al 5.0～7.0％，Sn 1.5～4.5％，Zr 2.0～4.5％，Mo0.1～1.0％，Si 0.1～0.6％，Nb 0.1～0.8％，Ta 0.1～1.8％，B 0.1～1.2％，C≤0.08％，Fe＜0.3％，O＜0.15％，N＜0.05％，H＜0.012％，余量为Ti和不可避免的杂质；采用无坩埚感应熔化气雾化技术制备合金粉末。
2.一种权利要求1所述用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末的制备方法，其特征在于，根据所需成分配料并熔炼成合金铸锭，所得铸锭于1150～1250℃锻造至直径为50mm棒材，再将棒材表面车光，加工成直径为20～40mm、长度为100～500mm的电极，然后采用无坩埚感应熔化气雾化技术制备合金粉末，具体工艺参数如下：
电流为3.2～4.0A；电压为450～480V；频率为160～185kHz；氩气流量为15～25Nm3/min；喷嘴气压为2.5～3.5MPa。
3.根据权利要求2所述用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末的制备方法，其特征在于：电极直径为35～40mm，长度为380～420mm。
4.根据权利要求2所述用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末的制备方法，其特征在于：电流为3.5～3.8A，电压为470～480V，频率为170～180kHz。
5.根据权利要求2所述用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末的制备方法，其特征在于：喷嘴气压为2.9～3.1MPa。
6.根据权利要求2所述用于700～750℃的短纤维增强高温钛合金粉末的制备方法，其特征在于，所得合金粉末具有以下特征：
1)合金粉末O的质量分数不超过0.12％；
2)合金粉末粒径分布符合正态分布，平均粒径为85～110μm；
3)粒径小于50μm的合金粉末所占体积分数不低于30％。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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