CN113073233B - 一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材及其制备方法 - Google Patents

一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材及其制备方法，它涉及钛合金技术领域，本发明要解决目前耐600℃以上高温钛合金板材短流程制备力学性能差，室温强韧性和高温性能不能良好匹配问题。本发明同过微量纳米Y2O3的添加，显著降低铸锭的原始β晶粒尺寸，从而可对铸锭进行960℃多道次直接轧制获得板材，并能够通过铸态合金直接轧制获得高温性能和室温强塑性匹配的高温钛合金板材。本发明获得的添加微量纳米Y2O3的高温钛合金板材具有优异的室温和高温力学性能，展现出优异的服役性能，具有巨大的应用潜力。

Description

一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材及 其制备方法
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材及其制备方法。
背景技术
钛合金具有低密度、高比强度、抗蚀性和高温性能良好等优点，是航空航天飞行器和先进武器装备系统的主要结构材料之一，可用来代替传统结构钢、镍基合金等高温合金材料，进而有效减轻结构件重量，提高结构效率和可靠性。从上世纪50年代Ti-6Al-4V合金到1984年英国IMI834问世以来，高温钛合金的使用温度一直到现在都没有突破600℃。但是随着航空航天领域对高超音速飞行器的飞行需求，提高合金的使用温度成为迫在眉睫的问题。目前，成熟600℃高温钛合金基本以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系为主，其强化方式以α2相和硅化物的第二相强化为主，但似乎已达到极限。专利名称为《一种适用于650℃温度下使用的高温钛合金》，申请号为201510194204.8的专利，其制备方法主要是在铸锭冶金以及随后的热等静压和热处理过程，需要经过铸造—开坯锻造—板材轧制，无稀土氧化物添加。该专利不属于短流程制造，工艺复杂。
发明内容
本发明针对目前耐600℃以上高温钛合金板材短流程制备力学性能差，室温强韧性和高温性能不能良好匹配问题。而提供的一种高温钛合金的设计以及铸态合金直接轧制方法。
本发明的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，它按质量百分比由Al：5％～7％、Sn：3％～5％、Zr：4％～10％、Mo：0.5～2％、Nb：0.3～2％、W：0.5～2％、(Mo+W+Nb)：1.5～4.5％、Si：0.2～0.5％、纳米Y2O3粉末：0.3～1％和余量为Ti制成。
进一步地，它按质量百分比由Al：5％～7％、Sn：3％～5％、Zr：5％～8％、Mo：0.5～2％、Nb：0.3～2％、W：0.5～2％、(Mo+W+Nb)：2～4％、Si：0.2～0.5％、纳米Y2O3粉末：0.5～1％和余量为Ti制成。
进一步地，它按质量百分比由Al：5％～7％、Sn：3％～5％、Zr：5％～8％、Mo：0.5～2％、Nb：0.3～2％、W：0.5～2％、(Mo+W+Nb)：2～4％、Si：0.2～0.5％、纳米Y2O3粉末：0.5～1％和余量为Ti制成。
进一步地，它按质量百分比由Al：6％、Sn：4％、Zr：5％、Mo：1％、Nb：1％、W：1％、(Mo+W+Nb)：2％、Si：0.3％、纳米Y2O3粉末：0.5％和余量为Ti制成。
本发明的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材的制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、干燥除气：将高纯铝豆，海绵锆，海绵钛，Ti-Sn中间合金，Al-Mo中间合金，Al-W中间合金，Al-Nb中间合金，Al-Si中间合金，放入不同的坩埚中，然后放在120℃的干燥箱中对原料进行除气去潮处理；
二、称取原料：按照质量百分比Al：5％～7％，Sn：3％～5％，Zr：4％～10％，Mo：0.5～2％，Nb：0.3～2％，W：0.5～2％，(Mo+W+Nb)：1.5～4.5％，Si：0.2～0.5％，纳米Y2O3粉末：0.3～1％和余量为Ti的比列分别称取纳米Y2O3粉末和步骤一中处理的高纯铝豆，海绵锆，海绵钛，Ti-Sn中间合金，Al-Mo中间合金，Al-W中间合金，Al-Nb中间合金，Al-Si中间合金；
三、压制电极：将步骤二称取的纳米Y2O3粉末用铝箔包成若干小块，将纳米Y2O3粉末包逐层均匀放在混合好的其他原材料中，在压力机上压成单根圆柱电极；然后将单根圆柱电极经钨极氩弧焊焊接成长电极；
四、熔炼：将焊接好的电极放入真空自耗熔炼炉中，进行三次熔炼，得到合金锭；
五、铸锭直接轧制：将步骤四得到的合金锭进行表面车削处理后，用线切割切成铸锭坯料进行多道次热轧；热轧具体步骤为：(1)轧制前将铸锭坯料预热3～5min后喷涂防氧化涂料，并在上下表明附上保温石棉；(2)将步骤(1)获得的坯料放在Tβ-70℃～Tβ温度区间的电阻加热炉中保温30～60min，轧制速度为80～90mm/min，道次变形量为20～30％；(3)将步骤(2)得到的板坯回炉于Tβ-70℃～Tβ温度区间，按1mm板坯保温1min，计算实际板坯保温时间，道次变形量为20～30％；(4)重复步骤(3)的轧制方法，获得厚度为2mm～3mm的板材，然后空冷至室温，即得到所述的耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材。
进一步地，高纯铝豆的纯度>99.99wt.％；海绵锆的纯度>99.7wt.％；海绵钛的纯度>99.9wt.％。
进一步地，步骤四中的熔炼条件为：起弧电压为20V-38V，起弧电流为330A-380A，熔炼过程中稳弧电压为10V-40V，真空度为10-2Pa。
进一步地，所述的将步骤(1)获得的坯料放在Tβ-70℃～Tβ温度区间的电阻加热炉中保温40～60min，轧制速度为85mm/min，道次变形量为20～30％。
进一步地，所述的将步骤(1)获得的坯料放在Tβ-70℃～Tβ温度区间的电阻加热炉中保温45min，轧制速度为80mm/min，道次变形量为20～30％。
进一步地，所述的Ti-Sn中间合金，Al-Mo中间合金，Al-W中间合金，Al-Nb中间合金，Al-Si中间合金分别为Ti-80wt.％Sn中间合金，Al-50wt.％Mo中间合金，Al-50wt.％W中间合金，Al-50wt.％Nb中间合金，Al-13wt.％Si中间合金。
本发明包含以下有益效果：
本发明制备的板材使用的综合力学性能优异，解决了600℃以上高温钛合金室温强韧性和高温性能不能良好匹配的问题。本发明的微量纳米Y2O3添加高温钛合金板材的室温抗拉强度为1223MPa，屈服强度为1135MPa，延伸率保持6.8％；650℃抗拉强度为706MPa，屈服强度为601MPa，延伸率达24.5％。
现有所知，钛合金中加入稀土元素，形成的氧化物易于在晶界偏聚，降低力学性能。但是本发明发现所添加稀土氧化物(Y2O3)可以提高高温钛合金的高温瞬时强度和耐久性，可以提高其使用温度。并且目前短流程低成本制备钛基合金也是降低零件制备成本的必要措施，因此通过微量稀土氧化物添加，降低原始β晶粒尺寸，通过铸态合金直接轧制获得高温性能和室温强塑性匹配的高温钛合金板材成为解决600℃以上高温钛合金的一种有效途经。
本发明相比于《一种适用于650℃温度下使用的高温钛合金》专利而言，本发明的制备方法是铸态合金直接轧制，而且，本发明所加入的Y元素要明显少于该专利。即本申请通过减少工艺流程，减少对合金性能有主要影响的Y元素，改进了高温钛合金的制备工艺，依然能够得到650℃温度下力学性能优异的合金。而该专利制备的是铸锭，并非板材，后续还需要经过铸造—开坯锻造—板材轧制，力学性能会下降。而且该专利明确说明Y和B起到主要作用，且二者加入的量均较大，在其加入量减少的情况下，力学性能必然会下降。因此，本发明与其相比具有明显优势。本发明省去了开坯锻造，属于短流程制备高性能板材，而板材是航天领域翼舵结构件的必要蒙皮材料，本发明的板材力学性能优异，能够很好满足上述要求。
附图说明
图1是在具体实施温度960℃下热轧微量纳米Y2O3添加高温钛合金板材的显微组织图；其中，(a)图为低倍镜下图，(b)图为高倍镜下图；
图2是在具体实施温度960℃下热轧微量纳米Y2O3添加高温钛合金板材的室温和650℃力学性能图；其中，A为20℃力学性能，B为650℃力学性能。
具体实施方式
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例综合性能优异的微量纳米Y2O3添加高温钛合金板材的的制备按以下步骤进行：
一、干燥除气：将高纯铝豆，海绵锆，海绵钛，Ti-Sn，Al-Mo，Al-W，Al-Nb，Al-Si，放入不同的坩埚中，然后放在120℃的干燥箱中对原料进行除气去潮处理。
二、称取原料：称取纳米Y2O3粉末和步骤一中处理的原材料，按照质量百分比Al：6％，Sn：4％，Zr：7％，Mo：0.8％，Nb：1％，W：1％，Si：0.25％，纳米Y2O3粉末：0.5％和余量为Ti的比列分别称取原料。
三、压制电极：将步骤而称取的纳米Y2O3粉末(30nm)用铝箔包成若干小块，将纳米Y2O3粉末包逐层均匀放在混合好的其他原材料中，在压力机上压成单根圆柱电极。然后将单根圆柱电极由钨极氩弧焊焊接成长电极。
四、熔炼：将焊接好的电极放入真空自耗熔炼炉(VAR)中，进行三次熔炼，以达到均匀化铸锭的目的，得到
Figure BDA0003000479170000041
的合金铸锭。
五、铸锭直接轧制：将步骤四得到的合金锭进行表面车削处理后用线切割切成
Figure BDA0003000479170000042
厚度的铸锭坯料进行多道次热轧。具体步骤为：(1)轧制前将铸锭坯料预热3～5min后喷涂防氧化涂料，并在上下表明附上保温石棉；(2)将步骤(1)获得的坯料放在960℃温度区间的电阻加热炉中保温45min，轧制速度为85mm/min，道次变形量为20～30％；(3)将步骤(2)得到的板坯在960℃下回炉，保温时间以实际板坯厚度计算(以1mm/min计)，道次变形量为20～30％；(4)重复步骤(3)的轧制方法，获得厚度为2mm～3mm的板材，然后空冷至室温。
对实施例1所获得的微量纳米Y2O3添加高温钛合金进行力学性能测试，其力学性能数据如表一所示，应力应变曲线如图1所示，可以看出综合性能优异。
实施例1方式所测拉伸性能如表1所示：
表1 960℃热轧制后650℃拉伸后力学性能
Figure BDA0003000479170000051

Claims (9)

1.一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，其特征在于它按质量百分比由Al：5％～7％、Sn：3％～5％、Zr：4％～10％、Mo：0.5～2％、Nb：0.3～2％、W：0.5～2％、(Mo+W+Nb)：1.5～4.5％、Si：0.2～0.5％、纳米Y2O3粉末：0.3～1％和余量为Ti制成；
所述的耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材是按照以下步骤进行的：
一、干燥除气：将高纯铝豆，海绵锆，海绵钛，Ti-Sn中间合金，Al-Mo中间合金，Al-W中间合金，Al-Nb中间合金，Al-Si中间合金，放入不同的坩埚中，然后放在120℃的干燥箱中对原料进行除气去潮处理；
二、称取原料：按照质量百分比Al：5％～7％，Sn：3％～5％，Zr：4％～10％，Mo：0.5～2％，Nb：0.3～2％，W：0.5～2％，(Mo+W+Nb)：1.5～4.5％，Si：0.2～0.5％，纳米Y2O3粉末：0.3～1％和余量为Ti的比列分别称取纳米Y2O3粉末和步骤一中处理的高纯铝豆，海绵锆，海绵钛，Ti-Sn中间合金，Al-Mo中间合金，Al-W中间合金，Al-Nb中间合金，Al-Si中间合金；
三、压制电极：将步骤二称取的纳米Y2O3粉末用铝箔包成若干小块，将纳米Y2O3粉末包逐层均匀放在混合好的其他原材料中，在压力机上压成单根圆柱电极；然后将单根圆柱电极经钨极氩弧焊焊接成长电极；
四、熔炼：将焊接好的电极放入真空自耗熔炼炉中，进行三次熔炼，得到合金锭；
五、铸锭直接轧制：将步骤四得到的合金锭进行表面车削处理后，用线切割切成铸锭坯料进行多道次热轧；热轧具体步骤为：(1)轧制前将铸锭坯料预热3～5min后喷涂防氧化涂料，并在上下表明附上保温石棉；(2)将步骤(1)获得的坯料放在Tβ-70℃～Tβ温度区间的电阻加热炉中保温30～60min，轧制速度为80～90mm/min，道次变形量为20～30％；(3)将步骤(2)得到的板坯回炉于Tβ-70℃～Tβ温度区间，按1mm板坯保温1min，计算实际板坯保温时间，道次变形量为20～30％；(4)重复步骤(3)的轧制方法，获得厚度为2mm～3mm的板材，然后空冷至室温，即得到所述的耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材。
2.根据权利要求1所述的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，其特征在于它按质量百分比由Al：5％～7％、Sn：3％～5％、Zr：5％～8％、Mo：0.5～2％、Nb：0.3～2％、W：0.5～2％、(Mo+W+Nb)：2～4％、Si：0.2～0.5％、纳米Y2O3粉末：0.5～1％和余量为Ti制成。
3.根据权利要求1所述的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，其特征在于它按质量百分比由Al：5％～7％、Sn：3％～5％、Zr：4％～6％、Mo：0.5～2％、Nb：0.3～2％、W：0.5～2％、(Mo+W+Nb)：2～3％、Si：0.2～0.5％、纳米Y2O3粉末：0.5～0.8％和余量为Ti制成。
4.根据权利要求1所述的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，其特征在于它按质量百分比由Al：6％、Sn：4％、Zr：5％、Mo：1％、Nb：1％、W：1％、(Mo+W+Nb)：2％、Si：0.3％、纳米Y2O3粉末：0.5％和余量为Ti制成。
5.根据权利要求1所述的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，其特征在于高纯铝豆的纯度>99.99wt.％；海绵锆的纯度>99.7wt.％；海绵钛的纯度>99.9wt.％。
6.根据权利要求1所述的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，其特征在于步骤四中的熔炼条件为：起弧电压为20V-38V，起弧电流为330A-380A，熔炼过程中稳弧电压为10V-40V，真空度为10-2Pa。
7.根据权利要求1所述的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，其特征在于所述的将步骤(1)获得的坯料放在Tβ-70℃～Tβ温度区间的电阻加热炉中保温40～60min，轧制速度为85mm/min，道次变形量为20～30％。
8.根据权利要求1所述的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，其特征在于所述的将步骤(1)获得的坯料放在Tβ-70℃～Tβ温度区间的电阻加热炉中保温45min，轧制速度为80mm/min，道次变形量为20～30％。
9.根据权利要求1所述的一种耐650℃的微量纳米三氧化二钇添加高温钛合金板材，其特征在于所述的Ti-Sn中间合金，Al-Mo中间合金，Al-W中间合金，Al-Nb中间合金，Al-Si中间合金分别为Ti-80wt.％Sn中间合金，Al-50wt.％Mo中间合金，Al-50wt.％W中间合金，Al-50wt.％Nb中间合金，Al-13wt.％Si中间合金。
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