CN111394637B - 一种Ti2AlNb合金及其棒材的制备方法 - Google Patents

一种Ti2AlNb合金及其棒材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种Ti2AlNb合金及其棒材的制备方法，该合金化学成分及其原子百分比为：Al22％～25％，Nb20％～23％,(Zr+Hf+W+Mo+Ta)1％～8％，W≥0.5％，Zr+Hf≥0.5％，余量为Ti以及不可避免的杂质。采用B2单相区较低温度镦粗与挤压拔长的复合工艺进行铸锭开坯，进一步在(α2+B2)两相区镦拔锻造与拔长成形锻造的工艺制备所需规格棒材。本发明提供的Ti2AlNb合金具有良好的抗氧化性能，700℃抗拉强度800MPa以上，700℃蠕变性能提高50％，并且提供了一种适合于Ti2AlNb合金的棒材制备方法。

Description

一种Ti2AlNb合金及其棒材的制备方法
技术领域
本发明为一种Ti2AlNb合金及其棒材的制备方法，属于Ti-Al系金属间化合物技术领域。
背景技术
与传统的高温钛合金相比，Ti-Al系合金具有密度低、比强度高，抗氧化性能好等特点，是650℃以上航空、航天耐高温轻质结构件的重要选材。Ti2AlNb合金是Ti-Al系合金的中一个重要类别，目前Ti2AlNb合金逐步由Ti-Al-Nb三元系向多元合金化发展，具有代表性的三元Ti2AlNb合金包括Ti-23Al-24Nb、 Ti-22Al-25Nb以及Ti-22Al-27Nb等，多元合金化Ti2AlNb合金包括 Ti-22Al-20Nb-7Ta、Ti-22Al-24Nb-0.5Mo、Ti-22Al-23Nb-1Mo-1Zr、Ti-22Al-20Nb-2W等(均为原子百分比)，同时还有一些添加V的Ti2AlNb合金也在开发中，添加V元素对合金的工艺塑性有利，但对高温持久蠕变性能的影响仍有待考察。现有Ti2AlNb合金的短板来自两个方面：一是抗氧化性能，Ti2AlNb合金的Nb含量普遍在20％以上，落于抗氧化性能不利的区域中；二是蠕变性能偏低，由于高合金化特征，片状和双态组织的Ti2AlNb合金其基体B2转变组织均过于细小，不利于蠕变性能。以显著提升抗氧化性能、高温蠕变性能为目标，开发含高熔点元素的多元合金化的Ti2AlNb合金是重要的方向，但需要甄别合金元素对抗氧化性能、关键力学性能和工艺性能的影响，以及元素组合影响的叠加作用。通过元素组合的强化作用，为组织调控提供空间，更有利于高温强度性能的调控。
从制备工艺的角度看，含高熔点元素的多元合金化Ti2AlNb合金的工艺塑性比简单合金化的Ti2AlNb合金材料进一步降低，增加了棒材锻造的难度，因此对高合金化Ti2AlNb合金棒材制备工艺需要进一步创新，提高成材率和棒材质量。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种Ti2AlNb合金及其棒材的制备方法，其目的是提高抗氧化和蠕变性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提供了一种Ti2AlNb合金，其特征在于：该合金中包括的金属成分及其原子百分比为：Al 22％～25％，Nb 20％～23％,Zr、Hf、W、Mo和Ta，且Zr+Hf+W+Mo+Ta1％～10％，余量为Ti以及不可避免的杂质。
在一种实施中，该合金中的金属W的原子百分比为0.5％～3.0％。
在一种实施中，该合金中的金属Zr+Hf的原子百分比为0.5％～2.0％。
在一种实施中，该合金中还包括Si元素，原子百分比为0.1～0.5％。
本发明技术方案还提供了一种制备上述Ti2AlNb合金棒材的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、铸锭制备：采用多次真空自耗熔炼工艺制备Ti2AlNb合金铸锭；
步骤二、镦粗变形：在Ti2AlNb合金铸锭表面涂刷保温涂料，然后在1120℃加热并保温，出炉后在快锻机上进行镦粗变形，镦粗压下变形量为50％，然后空冷，得到Ti2AlNb合金坯料，打磨表面褶皱和裂纹；
步骤三、挤压拔长：镦粗后的Ti2AlNb合金坯料表面涂刷抗氧化涂料，在 1080℃加热并保温，出炉后表面喷涂玻璃润滑剂并用火焰烘烤，然后置于挤压机进行挤压拔长，挤压比4:1；
步骤四、重复步骤二、三两次，得到初级棒坯；
步骤五、将初级棒坯在950℃进行镦拔锻造3～5火次，每火次镦拔锻造的镦粗和挤压拔长变形量为35％～50％，得到二次棒坯；
步骤六、二次棒坯在900℃加热保温，然后随炉冷却至600℃以下出炉，完成组织均匀化处理；
步骤七、对完成均匀化处理的二次棒坯在950℃进行挤压拔长成形，得到 Ti2AlNb合金的棒材，挤压拔长成形阶段单火变形量不超过30％。
在一种实施中，步骤一中，Ti2AlNb合金铸锭变形前在1120℃加热保温24 小时进行去应力和均匀化处理。
在一种实施中，步骤二中，保温的分钟数为0.4D1，D1为Ti2AlNb合金铸锭的直径。
在一种实施中，步骤三中，保温的分钟数为0.6D2，D2为Ti2AlNb合金坯料的直径。
在一种实施中，步骤六中，保温的分钟数为0.8D3，D3为二次棒坯的直径。
在一种实施中，在挤压拔长中对挤压筒预热至220℃，挤压速度为100mm/。
本发明技术方案中通过添加Mo、Ta元素，达到提高高温强度的目的。
本发明技术方案中，制备Ti2AlNb合金铸锭的原材料包括海绵钛、海绵锆、 Al-Nb合金、Ti-Hf合金、Al-W合金、Al-Mo合金、Al-Ta合金、铝豆等，用散料压制电极块，电极块经焊接后用于真空自耗熔炼，一般经过3、4次真空自耗熔炼完成铸锭制备；
本发明的优点或有益效果在于两个方面，合金化方面，通过W+Zr+Hf，或 W+Zr+Ta、W+Zr+Mo+Ta等元素组合的叠加作用，使Ti2AlNb合金具有更好的抗氧化性能，以及更好的固溶强化效果，使得Ti2AlNb合金多种组织形态均可以获得更高的高温拉伸强度和蠕变强度，为组织性能调控提供了空间。在制备工艺方面，针对高合金化Ti2AlNb合金工艺塑性降低的特点，采用了自由镦粗+挤压拔长复合工艺进行铸锭开坯，由于镦粗和挤压工序变形条件较好，本发明中设置的铸锭/坯料的加热温度均较低，而通常自由锻造开坯阶段，第1、2火铸锭/ 坯料加热温度均在1150℃以上。单相区较低的坯料加热温度，能够避免B2晶粒在加热过程中的长大、减轻表面氧化，降低表面氧化层引起的脆化倾向。在本发明中，棒材成形锻造前，进行了900℃保温慢冷处理，使显微组织进一步均匀化，弱化锻造织构，有利后续锻件的制备和锻件的组织均匀性控制。
具体实施方式
表1为Ti2AlNb合金7种金属成分及其原子百分比含量，
表1 Ti2AlNb合金铸锭成分
序号 成分，原子百分比
1 Ti-24Al-20Nb-0.5W-1Zr
2 Ti-23Al-20Nb-1W-1Zr
3 Ti-22Al-20Nb-2W-1Zr
4 Ti-23Al-20Nb-2W-1Zr-0.5Si
5 Ti-23Al-20Nb-1W-1Zr-1Hf
6 Ti-23Al-20Nb-1W-1Zr-1Ta
7 Ti-23Al-20Nb-1W-1Zr-1Mo
制备表1中Ti2AlNb合金棒材的方法的步骤如下：
①采用3次真空自耗熔炼工艺制备Ti2AlNb合金100kg铸锭，铸锭化学成分原子百分比见表1。对铸锭进行了车削扒皮，并切去冒口和底垫，成品铸锭规格为
Figure BDA0002455677300000041
②铸锭表面涂刷抗氧化涂料，然后在1120℃加热保温，保温时间为65分钟，达到保温时间后出炉在快锻机上进行镦粗变形，镦粗压下量约为50％，得到
Figure BDA0002455677300000042
棒坯，棒坯冷却后打磨表面折叠、裂纹等缺陷；
③将镦粗变形后的棒坯表面涂刷抗氧化涂料，在1080℃加热保温，保温时间为130分钟。同时将挤压筒预热至200℃，棒坯达到保温时间后出炉，表面喷涂玻璃润滑剂并用火焰烘烤，然后置于挤压机进行挤压拔长，挤压速度为 100mm/s，挤压比4:1，得到
Figure BDA0002455677300000043
的挤压棒坯；
④重复进行上述镦粗和挤压拔长工序，完成7个成分铸锭在B2单相区的开坯变形；
⑤棒坯进一步在(α2+B2)两相区进行镦拔锻造，棒坯加热温度为1000℃，保温时间为120分钟，镦粗和拔长变形量分别为35％，变形后空冷，棒坯装炉加热前表面均涂刷抗氧化涂料，锻后打磨清理裂纹；
⑥棒坯在900℃加热保温120分钟，然后随炉冷却至500℃以下出炉；
⑦棒坯进一步在快锻机上进行成形锻造，分3火进行拔长，
Figure BDA0002455677300000044
Figure BDA0002455677300000045
Figure BDA0002455677300000046
棒坯每火加热温度为1000℃，保温时间按0.8D计算分钟数；
⑧力学性能检测
从每个成分的棒材上切取纵向试样坯，热处理后检测力学性能，热处理制度为：950℃×2h/AC+800℃×20h/AC，力学性能检测项目为室温、700℃拉伸性能，700℃/100MPa/100h蠕变性能，结果见表2。
表2Ti2AlNb合金棒材的力学性能
Figure BDA0002455677300000051
表3 750℃/100h氧化增重
序号 1 2 3 4 5 6 7
g/m<sup>2</sup>·h 0.125 0.176 0.108 0.102 0.092 0.121 0.195
从上述表2、3中可以看出，本发明提供的Ti2AlNb合金具有良好的抗氧化性能，700℃抗拉强度800MPa以上，700℃蠕变性能提高50％。

Claims (9)

1.一种Ti2AlNb合金，其特征在于：该合金中包括的金属成分及其原子百分比为：Al22％～25％，Nb 20％～23％,Zr、Hf、W、Mo和Ta，且Zr+Hf+W+Mo+Ta1％～10％，余量为Ti以及不可避免的杂质；其中Zr+Hf+W+Mo+Ta的组合叠加作用形式包括W+Zr+Hf、W+Zr+Ta或W+Zr+Mo+Ta；
该Ti2AlNb合金的棒材的制备采用以下步骤完成：
步骤一、铸锭制备：采用多次真空自耗熔炼工艺制备Ti2AlNb合金铸锭；
步骤二、镦粗变形：在Ti2AlNb合金铸锭表面涂刷保温涂料，然后在1120℃加热并保温，出炉后在快锻机上进行镦粗变形，镦粗压下变形量为50％，然后空冷，得到Ti2AlNb合金坯料；
步骤三、挤压拔长：镦粗后的Ti2AlNb合金坯料表面涂刷抗氧化涂料，在1080℃加热并保温，出炉后表面喷涂玻璃润滑剂并用火焰烘烤，然后置于挤压机进行挤压拔长，挤压比4:1；
步骤四、重复步骤二、三两次，得到初级棒坯；
步骤五、将初级棒坯在950℃进行镦拔锻造3～5火次，每火次镦拔锻造的镦粗和挤压拔长变形量为35％～50％，得到二次棒坯；
步骤六、二次棒坯在900℃加热保温，然后随炉冷却至600℃以下出炉，完成组织均匀化处理；
步骤七、对完成均匀化处理的二次棒坯在950℃进行挤压拔长成形，得到Ti2AlNb合金的棒材，挤压拔长成形阶段单火变形量不超过30％。
2.根据权利要求1所述的Ti2AlNb合金，其特征在于：该合金中的金属W的原子百分比为0.5％～3.0％。
3.根据权利要求1所述的Ti2AlNb合金，其特征在于：该合金中的金属Zr+Hf的原子百分比为0.5％～2.0％。
4.根据权利要求1所述的Ti2AlNb合金，其特征在于：该合金中还包括Si元素，原子百分比为0.1～0.5％。
5.根据权利要求1所述的Ti2AlNb合金的棒材的制备方法，其特征在于：步骤一中，Ti2AlNb合金铸锭变形前在1120℃加热保温24小时进行去应力和均匀化处理。
6.根据权利要求1所述的Ti2AlNb合金的棒材的制备方法，其特征在于：步骤二中，保温的分钟数为0.4D1，D1为Ti2AlNb合金铸锭的直径。
7.根据权利要求1所述的Ti2AlNb合金的棒材的制备方法，其特征在于：步骤三中，保温的分钟数为0.6D2，D2为Ti2AlNb合金坯料的直径。
8.根据权利要求1所述的Ti2AlNb合金的棒材的制备方法，其特征在于：步骤六中，保温的分钟数为0.8D3，D3为二次棒坯的直径。
9.根据权利要求1所述的Ti2AlNb合金的棒材的制备方法，其特征在于：在挤压拔长中对挤压筒预热至220℃，挤压速度为100mm/s-120mm/s。
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