CN115821184A - 一种ZTi60钛合金致密化处理方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温钛合金熔模精密铸造工艺技术领域，具体而言，涉及一种ZTi60钛合金致密化处理方法及其应用。所述的ZTi60钛合金致密化处理方法包括如下步骤：将待处理的ZTi60钛合金进行热等静压处理；其中，所述热等静压处理的加热温度为970～990℃，所述热等静压处理的保温时间为2.5～3h；优选地，所述热等静压处理的压力为130～140MPa。本发明提供的用于ZTi60钛合金的致密化处理的方法，可以有效消除ZTi60材质的高温钛合金的内部缺陷，实现ZTi60钛合金的有效致密化处理。
Description
技术领域
本发明涉及高温钛合金熔模精密铸造工艺技术领域，具体而言，涉及一种ZTi60钛合金致密化处理方法及其应用。
背景技术
ZTi60铸造钛合金是一种新型高温钛合金，主要合金化元素为Al、Sn、Zr、Mo、Si、Nb和Ta。ZTi60高温钛合金较常规钛合金加入了Nb和Ta等高温难熔元素，具有室温、高温强度高的优点，同时，由于其合金化程度高，流动性变差，导致其铸造性能下降，裂纹倾向严重，产生冶金缺陷的风险增加，铸造难度大大增加。
现有技术的铸件生产过程需致密化处理，以消除铸造内部冶金缺陷，提高铸件的疲劳寿命。最常用的工艺方法是热等静压(Hot Isostatic Pressing，简称HIP)，钛合金铸件经热等静压处理后，可以消除铸件内部的疏松、缩孔、气孔等孔洞类铸造缺陷，改善铸件力学性能。
常规中温ZTC4、ZTA15钛合金铸件致密化处理工艺方法均为热等静压，其工艺制度如下：温度920±10℃，保温时间2.0-2.5h，保压压力110MPa±10MPa。常规钛合金(ZTC4、ZTA15等牌号)铸件通过热等静压处理后，其内部质量会得到明显的改善(冶金缺陷和显微疏松得到有效愈合)，对铸件力学性能产生一定的影响，使强度略有下降，塑性有所改善，而疲劳强度显著提高。
然而，常规钛合金(ZTC4、ZTA15等牌号)的热等静压工艺制度对于ZTi60材质的铸件内部缺陷的消除效果一般，HIP后试样在X光片中仍然存在部分内部缺陷没有愈合。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种ZTi60钛合金致密化处理方法，该方法能够有效消除ZTi60钛合金铸件的内部缺陷。
本发明的第二目的在于提供一种ZTi60钛合金铸件的制备方法，该方法制得的ZTi60钛合金铸件的内部质量好。
本发明的第三目的在于提供所述的ZTi60钛合金铸件的制备方法所制得的ZTi60钛合金铸件在航空航天中的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种ZTi60钛合金致密化处理方法，包括如下步骤：
将待处理的ZTi60钛合金进行热等静压处理；
其中，所述热等静压处理的加热温度为970～990℃，所述热等静压处理的保温时间为2.5～3h，所述热等静压处理的压力为130～140MPa。
优选地，在所述热等静压处理之后，随炉冷却。
优选地，待炉内温度≤300℃，取出经所述热等静压处理后的ZTi60钛合金。
优选地，所述ZTi60钛合金的化学成分按照质量百分比计为：Al：5.5％～6.6％，Sn：3.5％～4.0％，Zr：3.2％～3.7％，Mo：0.3％～1％，Si：0.3％～0.5％，Nb：0.3％～0.7％，Ta：0.1％～0.5％，N≤0.05％，H≤0.012％，O≤0.2％，C≤0.10％，Fe≤0.25％，余量为Ti。
优选地，所述ZTi60钛合金包括熔模精密铸造制得的ZTi60钛合金铸件。
优选地，采用热等静压机进行所述热等静压处理，并且以惰性气体作为压力介质。
本发明还提供了一种ZTi60钛合金铸件的制备方法，包括如上所述的ZTi60钛合金致密化处理方法。
本发明还提供了如上所述的ZTi60钛合金铸件的制备方法所制得的ZTi60钛合金铸件在航空航天中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的ZTi60钛合金致密化处理方法可有效消除ZTi60材质的高温钛合金的内部缺陷，实现ZTi60钛合金的有效致密化处理，满足ZTi60钛合金铸件的使用性能要求。
(2)本发明通过采用热等静压的方法进行致密化处理，具有成熟、稳定和可靠等优点。
(3)本发明提供的用于ZTi60钛合金致密化处理方法，处理后的ZTi60钛合金的力学性能好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的ZTi60钛合金铸件的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的ZTi60钛合金铸件的剖面图；
图3为本发明实施例1提供的经热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件附铸试样的外观状态图；
图4为本发明实施例1提供的经热等静压处理前的ZTi60钛合金铸件的腹板处的X射线图；
图5为本发明实施例1提供的经热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件的腹板处的X射线图；
图6为本发明实施例1提供的经热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件附铸试样的X射线图；
图7为本发明对比例1提供的经热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件附铸试样(加工后)的X射线图；
图8为本发明对比例2提供的经热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件附铸试样(加工后)的X射线图；
图9为本发明对比例4提供的经热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件附注试样的外观状态图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一方面，本发明提供了一种ZTi60钛合金致密化处理方法，包括如下步骤：
将待处理的ZTi60钛合金进行热等静压处理。
其中，所述热等静压处理的加热温度为970～990℃，包括但不限于972℃、975℃、978℃、980℃、983℃、985℃、988℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
所述热等静压处理的保温时间为2.5～3h，包括但不限于2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h、3h中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
所述热等静压处理的压力为130～140MPa，包括但不限于131MPa、132MPa、133MPa、134MPa、135MPa、136MPa、137MPa、138MPa、139MPa中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
本发明提供的用于ZTi60钛合金的致密化处理的方法，可以有效消除ZTi60材质的高温钛合金的内部缺陷，实现ZTi60钛合金的有效致密化处理，改善了产品的内部质量，满足ZTi60钛合金铸件的使用性能要求。
并且，本发明针对ZTi60材质的高温钛合金铸件致密化处理的工艺方法采用热等静压技术实施，该方法具有成熟、稳定和可靠等优点。
热等静压作为一种钛合金铸件的致密化处理工艺，其原理为在高温、高压作用下，材料内部的孔洞类缺陷和疏松在外界条件作用下，分子和原子间发生了扩散，使内部缺陷逐步愈合，达到致密化的效果。因而选择适合的工艺制度会使处理结果达到一种最佳效果，既保证材料性能，又使致密和愈合效果最佳，处理工艺是针对材料和产品的最优匹配，处理温度一般要低于材料相变的温度，一旦发生相变，材料的组织将发生变化，这是个不可逆过程，将会使材料的性能发生不可预见的风险，但不同合金其相变点各不相同，因此中温钛合金ZTC4、ZTA15等与ZTi60钛合金所适用的制度不同。
优选地，在所述热等静压处理之后，随炉冷却。
优选地，待炉内温度≤300℃(包括但不限于300℃、290℃、280℃、260℃、250℃、230℃、210℃、200℃、150℃、100℃、50℃、30℃、10℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值)，取出经所述热等静压处理后的ZTi60钛合金。
优选地，所述ZTi60钛合金的化学成分按照质量百分比计为：Al：5.5％～6.6％，Sn：3.5％～4.0％，Zr：3.2％～3.7％，Mo：0.3％～1％，Si：0.3％～0.5％，Nb：0.3％～0.7％，Ta：0.1％～0.5％，N≤0.05％，H≤0.012％，O≤0.2％，C≤0.10％，Fe≤0.25％，余量为Ti。
现有技术中的ZTA15钛合金的高温性能无法满足高马赫数巡航的热载荷条件。为满足设计指标要求，开发了具有更高使用温度的ZTi60钛合金。用于航空航天领域的钛合金铸件生产过程中需要进行致密化处理，以消除铸造内部冶金缺陷，提高铸件的疲劳寿命。但是，申请人发现，常规的用于中温ZTC4、ZTA15等钛合金铸件的致密化处理工艺无法适用于本申请ZTi60钛合金。因此，本申请提出了一种适用于具有特定化学组成的ZTi60钛合金(铸件)的致密化处理方法。
优选地，所述ZTi60钛合金包括熔模精密铸造制得的ZTi60钛合金铸件。
在本发明一些具体的实施方式中，所述ZTi60钛合金铸件经过清壳、切割以及吹砂处理。
优选地，采用热等静压机进行所述热等静压处理，并且以惰性气体作为压力介质。
第二方面，本发明提供了一种ZTi60钛合金铸件的制备方法，包括如上所述的ZTi60钛合金致密化处理方法。
第三方面，本发明提供了如上所述的ZTi60钛合金铸件的制备方法所制得的ZTi60钛合金铸件在航空航天中的应用。
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明以下各实施例和各对比例中的ZTi60钛合金铸件为同一批次生产的ZTi60钛合金铸件。经检测，该批次生产的ZTi60钛合金铸件的化学成分按照质量百分比计为：Al：5.73％，Sn：3.70％，Zr：3.61％，Mo：1％，Si：0.39％，Nb：0.38％，Ta：0.19％，N：0.0043％，H<0.001％，O：0.058％，C：0.01％，Fe：0.01％，余量为Ti。
实施例1
本实施例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法包括如下步骤：
对经过熔模精密铸造制得的ZTi60钛合金铸件(经过清壳、切割以及吹砂处理)进行热等静压处理。
其中，经过熔模精密铸造制得的ZTi60钛合金铸件的结构示意图以及剖面图分别如图1和图2所示，其附铸试样的直径为
高度为160mm。
采用热等静压机进行所述热等静压处理，并以惰性气体作为压力介质。所述热等静压处理的加热温度为980℃，压力为135MPa，保温保压时间为3h。
待所述热等静压处理完成后随炉冷却。待炉内温度≤300℃，且压力恢复至大气压，取出经过所述热等静压处理后的ZTi60钛合金。
本实施例1经所述热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件的外观状态如图3所示。
分别对本实施例1热等静压处理前和等静压处理后的ZTi60钛合金铸件的腹板处进行X射线检测(热等静压处理前和热等静压处理前后拍摄相同部位)，结果如图4和图5所示。从图4可以看出，ZTi60钛合金铸件在热等静压处理前腹板处内部存在较多的缩松和缩气孔。从图5可以看出，ZTi60钛合金铸件在经过热等静压处理后，大部分缺陷得以消除。
并对本实施例1经过热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件进行X射线检测，结果如图6所示。从图6可以看出，本实施例1的ZTi60钛合金铸件(附铸试棒)经热等静压处理后，在X射线的底片中显示无内部缺陷，整个试棒致密性较好，无缩孔缩松等内部缺陷。
由此可见，本发明提供的具有特定加热温度、保温时间以及压力的热等静压处理制度可以有效消除ZTi60钛合金铸件的内部缺陷。
实施例2
本实施例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别仅在于，将热等静压处理的加热温度替换为970℃。
实施例3
本实施例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别仅在于，将热等静压处理的加热温度替换为990℃。
实施例4
本实施例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别仅在于，将热等静压处理的压力替换为130MPa。
实施例5
本实施例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别仅在于，将热等静压处理的压力替换为140MPa。
实施例6
本实施例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别仅在于，将热等静压处理的保温保压时间替换为2.5h。
对比例1
本对比例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别在于：将热等静压处理的加热温度替换为920℃、压力替换为120MPa、保温保压时间替换为2h。
对本对比例1经热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件进行X射线检测，结果如图7所示。从图7可以看出，本对比例1热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件(附铸试棒)在X射线的底片中显示存在较多缺陷，明显分布于整个试棒。
对比例2
本对比例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别仅在于：将热等静压处理的加热温度替换为920℃。
对本对比例2经热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件进行X射线检测，结果如图8所示。从图8可以看出，本对比例2热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件(试棒)在X射线的底片中显示存在较多缺陷。
对比例3
本对比例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别仅在于：将热等静压处理的加热温度替换为1020℃。
对比例4
本对比例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别在于：将热等静压处理的加热温度替换为1060℃、保温保压时间替换为2.5h。
本对比例经所述热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件的外观状态如图9所示。可以发现，个别试样发生了严重变形，试样失去强度，呈半固态状，按极限理论推断，该工艺制度的温度应该超出了其相变温度。
即，本对比例的ZTi60钛合金铸件在热等静压过程中发生相变，试棒在出炉时与装炉前相比形态发生了改变。
对比例5
本对比例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别仅在于：将热等静压处理的加热温度替换为940℃。
对比例6
本对比例提供的ZTi60钛合金致密化处理方法与实施例1基本相同，区别仅在于：将热等静压处理的压力替换为120MPa、保温保压时间替换为2h。
实验例1
分别对以上各实施例和各对比例经热等静压处理后的ZTi60钛合金铸件进行室温力学性能检测和高温(600℃)力学性能检测(每组检测两根试样)，所检测的内容包括抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率，结果如下表1和表2所示。
其中，由于对比例4的部分试样发生了严重变形，失去强度，呈半固态状，无法使用，因此未测得对比例4的力学性能。
表1各组ZTi60钛合金铸件的室温力学性能检测结果
表2各组ZTi60钛合金铸件的高温力学性能检测结果
通过表1和表2可以看出，经本发明提供的用于ZTi60钛合金致密化处理方法处理后的ZTi60钛合金铸件的力学性能较好。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (8)
1.一种ZTi60钛合金致密化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
将待处理的ZTi60钛合金进行热等静压处理；
其中，所述热等静压处理的加热温度为970～990℃，所述热等静压处理的保温时间为2.5～3h，所述热等静压处理的压力为130～140MPa。
2.根据权利要求1所述的ZTi60钛合金致密化处理方法，其特征在于，在所述热等静压处理之后，随炉冷却。
3.根据权利要求2所述的ZTi60钛合金致密化处理方法，其特征在于，待炉内温度≤300℃，取出经所述热等静压处理后的ZTi60钛合金。
4.根据权利要求1所述的ZTi60钛合金致密化处理方法，其特征在于，所述ZTi60钛合金的化学成分按照质量百分比计为：Al：5.5％～6.6％，Sn：3.5％～4.0％，Zr：3.2％～3.7％，Mo：0.3％～1％，Si：0.3％～0.5％，Nb：0.3％～0.7％，Ta：0.1％～0.5％，N≤0.05％，H≤0.012％，O≤0.2％，C≤0.10％，Fe≤0.25％，余量为Ti。
5.根据权利要求1所述的ZTi60钛合金致密化处理方法，其特征在于，所述ZTi60钛合金包括熔模精密铸造制得的ZTi60钛合金铸件。
6.根据权利要求1所述的ZTi60钛合金致密化处理方法，其特征在于，采用热等静压机进行所述热等静压处理，并且以惰性气体作为压力介质。
7.一种ZTi60钛合金铸件的制备方法，包括如权利要求1～6任一项所述的ZTi60钛合金致密化处理方法。
8.如权利要求7所述的ZTi60钛合金铸件的制备方法所制得的ZTi60钛合金铸件在航空航天中的应用。
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- 2022-11-08 CN CN202211389254.8A patent/CN115821184A/zh active Pending
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