CN115846552A

CN115846552A - 一种高强高韧耐高温钛合金及其制备方法

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Publication number: CN115846552A
Application number: CN202211412255.XA
Authority: CN
Inventors: 郭杰; 胡钊华; 耿乃涛; 张天馨; 范玉婷; 康强; 王莹
Original assignee: Chengdu Advanced Metal Materials Industry Technology Research Institute Co Ltd; Ansteel Beijing Research Institute
Current assignee: Chengdu Advanced Metal Materials Industry Technology Research Institute Co Ltd; Ansteel Beijing Research Institute
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明涉及一种高强高韧耐高温钛合金及其制备方法，钛合金化学成分按重量百分计为：Al 5.4％～6.1％；Sn 3.7％～4.3％；Zr 3.0％～3.8％；Mo 0.2％～0.7％；Nb 0.2％～0.7％；Ta 0.7％～1.3％；Si 0.2％～0.6％；C 0.04％～0.08％；余量为Ti和不可避免的杂质元素。该高强高韧耐高温钛合金的室温和600℃高温的综合力学性能和强塑性都达到了良好的匹配，从而使得其具有工业化的应用价值。

Description

一种高强高韧耐高温钛合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐高温钛合金技术领域，具体涉及一种高强高韧耐高温钛合金及其制备方法。

背景技术

随着航空工业的不断发展，新一代航空航天发动机对材料提出了更高的要求。通过采用高温钛合金代替钢或者高温合金制造航空航天发动机的涡轮叶盘、叶片等发动机部件，可以明显的减轻发动机的重量，提高发动机的工作温度，提高比强度以及推重比。为了适应航空航天快速发展的要求，迫切需要开发新型高强高韧耐高温钛合金。

航空发动机部件在复杂苛刻环境下服役，要求合金具有强度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能之间的良好匹配，在服役温度下具有高的抗氧化性和组织稳定性。合金综合力学性能取决于合金组织状况与织构类型，这两者与合金热加工历史密切相关。因此亟需深入开展高温钛合金在锻造和热处理过程中显微组织与晶体织构的演变行为、显微组织及织构强度对合金力学性能的影响等相关工作，通过优化合金热加工工艺、热处理工艺精确控制合金组织与织构分布，实现航空航天用高温钛合金稳定的产品开发。所以通过锻造以及热处理工艺的优化，设计出一种高强高韧耐高温钛合金，使得进一步获得更佳的综合力学性能和强塑性的匹配，一直是耐高温钛合金需要解决的重点问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强高韧耐高温钛合金及其制备方法，该高强高韧耐高温钛合金的室温和高温的综合力学性能和强塑性都达到了良好的匹配，从而使得其具有工业化的应用价值。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种高强高韧耐高温钛合金，化学成分按重量百分计为：Al 5.4％～6.1％；Sn3.7％～4.3％；Zr 3.0％～3.8％；Mo 0.2％～0.7％；Nb 0.2％～0.7％；Ta 0.7％～1.3％；Si 0.2％～0.6％；C 0.04％～0.08％；余量为Ti和不可避免的杂质元素。

做为优选，所述铸锭由以下质量百分比的成分组成：Al：5.7％；Sn：4.0％；Zr：3.5％；Mo：0.4％；Nb：0.4％；Ta：1.0％；Si：0.4％；C：0.05％；余量为Ti和不可避免的杂质元素。

所述高强高韧耐高温钛合金在室温时：抗拉强度≥1200MPa；屈服强度≥1100MPa；延伸率≥8.0％，可选的，延伸率≥8.5％。

所述高强高韧耐高温钛合金在600℃时：抗拉强度≥750MPa；屈服强度≥600MPa；延伸率≥25％。

可选的，高强高韧耐高温钛合金在室温时：抗拉强度1200～1260MPa，屈服强度1100～1160MPa，延伸率8.0％～8.8％；600℃时：抗拉强度750～770MPa，屈服强度600～660MPa，延伸率26％～27.5％。

可选的，高强高韧耐高温钛合金在600℃时断面收缩率≥35％；进一步可选，在600℃时钛合金断面收缩率≥38％；更进一步可选，600℃时钛合金断面收缩率38％～59％。

一种高强高韧耐高温钛合金的制备方法，将原材料制成铸锭后，经过锻造和热处理步骤，即可获得所述高强高韧耐高温钛合金；其中锻造温度为980℃～1200℃；作为优选，锻造温度为1000℃～1180℃。

进一步可选，锻造温度为1030℃～1150℃作为一种实施方案，四火次多向锻造的温度分别为1150℃、1080℃、1055℃、1030℃。

所述原材料制成铸锭的操作包括利用真空自耗电弧炉进行熔炼的步骤。

可选的，所述锻造包括至少四火次多向锻造，所述四火次多向锻造包括以下步骤：

1)将所需要加工的钛合金升温至1140℃～1160℃后，保温120min～180min，优先为150min～180min，然后进行第一火次多向锻造；

2)将步骤1)所得钛合金进行回火至1070℃～1080℃，保温40min～60min，优先为50min-60min，然后进行第二火次多向锻造；

3)将步骤2)所得钛合金进行回火至1045℃～1065℃，保温30min～50min，优先为40min-50min，然后进行第三火次多向锻造；

4)将步骤3)所得钛合金进行回火至1020℃～1030℃，保温200min～250min，优先为240min-250min，然后进行第四火次多向锻造，空气中冷却；

所述四火次多向锻造过程中至少有一次锻造步骤为：镦粗变形量50％～66％，拔长至高径比2～2.5；优先为：镦粗变形量55％-66％，拔长至高径比2.3-2.5。

可选的，每火次多向锻造为两镦两拔或者三镦三拔。

所述第一火次多向锻造结束时钛合金的温度≥1100℃，第二火次多向锻造结束时钛合金的温度≥950℃，第三火次多向锻造结束时钛合金的温度≥900℃，第四火次多向锻造结束时钛合金的温度≥850℃。

作为一种实施方案，所述锻造包括四火次多向锻造，所述四火次多向锻造包括以下步骤：

当电炉炉温上升到850℃时，坯料入炉，120min随炉温升高到1000℃，保温时间按照坯料尺寸计算，随后随炉温升高到1150℃，保温180min后开始锻造，二镦二拔变形，每次换向变形量≤30％；

所述高强高韧耐高温钛合金热处理步骤包括固溶处理，可选的，所述固溶处理为在1000℃～1100℃下至少保持90～120min。

优选的，所述固溶处理为在1020℃～1060℃下处理120min。

可选的，所述固溶处理结束后进行水冷却。

所述高强高韧耐高温钛合金的热处理步骤还包括时效处理，可选的，所述时效处理在固溶处理结束后，所述时效处理为在680℃～750℃处理至少5h后空冷却至室温。

作为优选，所述时效处理为在700℃下保持5h后空气冷却至室温。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

本发明制备的高强高韧耐高温钛合金，具有室温和高温(600℃及以上)的强度、塑性和延伸率等综合力学性能优异，且强塑性达到了良好的匹配关系。

附图说明

图1是本发明实施例锻锭初始组织(100μm)；

图2是本发明实施例锻锭初始组织(50μm)；

图3是本发明实施例合金锻锭经过1025℃/2h固溶处理后的边部固溶组织形貌图；

图4是本发明实施例合金锻锭经过1025℃/2h固溶处理后的1/2处固溶组织形貌图；

图5是本发明实施例合金锻锭经过1025℃/2h固溶处理后的中心处固溶组织形貌图；

图6是本发明实施例合金锻锭经过1035℃/2h固溶处理后的边部固溶组织形貌图；

图7是本发明实施例合金锻锭经过1035℃/2h固溶处理后的1/2处固溶组织形貌图；

图8是本发明实施例合金锻锭经过1035℃/2h固溶处理后的中心处固溶组织形貌图；

图9是本发明实施例合金锻锭经过1045℃/2h固溶处理后的边部固溶组织形貌图；

图10是本发明实施例合金锻锭经过1045℃/2h固溶处理后的1/2处固溶组织形貌图；

图11是本发明实施例合金锻锭经过1045℃/2h固溶处理后的中心处固溶组织形貌图。

具体实施方式

以下结合实际工装情况实施详细举例叙述本发明，但本发明并不局限于这些实施案例。如无特殊说明，本发明所涉及到的原材料等均通过商业途径购买。本发明的实施案例中分析方法如下：①材料拉伸试验依据HB5143-96，《金属室温拉伸试验方法》制备试验样品，分别在室温和600℃条件下，在电子万能材料试验机上进行；②高温蠕变持久性能试验依据HB5150-1996《金属高温拉伸持久实验方法》，600℃/150MPa条件下，在电子式高温蠕变持久试验机上进行。③利用OLYMPUS DSX1000型数码显微镜观察金相组织。

具体实施方式如下：

1、实施例高强高韧耐高温钛合金铸锭的制备：

原材料采用A0军工小粒钛，合金元素以铝锡Al-Sn、铝铌合金Al-Nb、钛钽合金Ti-Ta、铝钼合金Al-Mo、铝硅合金、高纯碳粉、海绵锆形式加入。采用真空自耗电弧炉三次熔炼制备150kg合金铸锭。

铸锭的生产工艺流程为：原材料→配料→混料→压制单块电极→电极组焊→一次VAR熔炼(Φ190mm)→一次铸锭组焊→二次VAR熔炼(Φ250mm)→三次VAR熔炼(Φ310mm)→铸锭切冒口、扒皮、取样→成品铸锭。

制备的150kg级铸锭的成分如表1所示，铸锭的成分均匀性良好，冶金质量稳定。

表1实施例铸锭头尾成分检测结果

表1中：s为冒口端，x为底端，1-3号样为从心部到边部。

2、实施例合金铸锭进行高强高韧耐高温钛合金锻锭的制备，锻造步骤包括：

1)当电炉炉温升高至850℃时，将铸锭装炉，随炉升温至1150℃，保温180min；然后进行第一火次多向锻造；

2)将步骤1)所得钛合金进行回火至1070℃～1080℃，保温40min～60min，然后进行第二火次多向锻造；

3)将步骤2)所得钛合金进行回火至1045℃～1065℃，保温30min～50min，然后进行第三火次多向锻造；

4)将步骤3)所得钛合金进行回火至1020℃～1030℃，保温200min～250min，然后进行第四火次多向锻造，空气中冷却。

第一火次多向锻造结束时钛合金的温度≥1100℃，第二火次多向锻造结束时钛合金的温度≥950℃，第三火次多向锻造结束时钛合金的温度≥900℃，第四火次多向锻造结束时钛合金的温度≥850℃。

3、实施例高强高韧耐高温钛合金锻锭的初始性能检测：

利用上述步骤2制备得到的高强高韧耐高温钛合金锻锭制成两个实验样，编号后分别在室温和600℃进行力学性能的测试，结果如表2所示：

表2实施例初始力学性能

由表2可知，抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp_0.2)和断后伸长率(A)都较高。从表2中可见，近等温锻造温度的降低，钛合金的室温强度和塑性得到提高，钛合金的高温性能得到行优化。

对锻锭进行显微组织观察，如图1、图2所示。锻锭在经过在α+β相区多向锻造后，有明显被挤压并且破碎的原始晶粒，晶粒内部的片层发生了明显的碎化、扭曲并沿着晶界方向发生变化，可见再结晶的等轴α相，最终获得均匀的锻态组织。

4、将高强高韧耐高温钛合金锻锭的固溶处理：

对步骤3得到的高强高韧耐高温钛合金锻锭进行固溶处理，固溶处理的条件如表3所示，冷却方式都为水冷。

表3固溶处理的条件

分别测试高强高韧耐高温钛合金锻锭经过1025℃/2h、1035℃/2h、1045℃/2h、1055℃/2h、1065℃/2h、1075℃/2h固溶处理后的锻锭的边部、1/2处、中心处的金相显微组织图像。分别以1025℃/2h、1035℃/2h、1045℃/2h固溶处理为例说明固溶处理对钛合金锻锭的组织影响，如图3-图11所示，为经过1025℃/2h、1035℃/2h、1045℃/2h固溶处理后边部、1/2处、中心处的金相组织图像，经过显微组织的分析，结果表明：不同部位的样品经过相同的固溶温度处理后，边部组织中存在较多的α相，中心处α相占比较小，其中1/2处的组织中α相分布较为均匀，比例为50％左右的双态组织。随着固溶温度的升高，边部、1/2、中心处的组织均呈现白色初生α相含量降低，细针状α相增加的现象，这是由于淬火后缺陷相对较多，易发生非均匀形核，原子扩散不充分，次生相来不及长大，形成针状α相。固溶温度的降低至1025℃，初生α相和片状α相的含量不断增多，不利于提高合金强塑性。

测试高强高韧耐高温钛合金锻锭分别经过1025℃/2h、1035℃/2h、1045℃/2h固溶处理后的600℃高温力学性能，分析结果如下：在600℃高温下，随着固溶处理的温度升高，固溶处理后的样品强度升高，塑性提高，高温下塑性较好。但是，超过一定固溶温度后，拉伸强度、塑性均下降，其中1045℃/2h固溶处理后的拉伸强度、塑性最高。延伸率基本上随着固溶温度的升高呈现降低趋势，在1045℃/2h时达到最大值。

5、实施例高强高韧耐高温钛合金的时效和性能测试：

经过步骤4的固溶处理后的锻锭经过700℃/5h/AC(空冷)、750℃/5h/AC(空冷)的人工时效处理得到高强高韧耐高温钛合金。人工时效处理使得经过固溶处理的锻锭的亚稳β相在时效过程中充分扩散，同时促使硅化物弥散析出强化。

将锻锭经过固溶时效处理后得到高强高韧高温钛合金，其中：

固溶时效1：1025℃/2h/WQ(固溶处理)+700℃/5h/AC(人工时效处理)；

固溶时效2：1035℃/2h/WQ(固溶处理)+700℃/5h/AC(人工时效处理)；

固溶时效3：1045℃/2h/WQ(固溶处理)+700℃/5h/AC(人工时效处理)；

固溶时效4：1025℃/2h/WQ(固溶处理)+750℃/5h/AC(人工时效处理)；

固溶时效5：1035℃/2h/WQ(固溶处理)+750℃/5h/AC(人工时效处理)；

固溶时效6：1045℃/2h/WQ(固溶处理)+750℃/5h/AC(人工时效处理)；

固溶时效7：1055℃/2h/WQ(固溶处理)+700℃/5h/AC(人工时效处理)；

固溶时效8：1055℃/2h/WQ(固溶处理)+750℃/5h/AC(人工时效处理)。

分别测试通过固溶处理后的高强高韧耐高温钛合金的室温和600℃的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率等性能，结果显示高强高韧耐高温钛合金具有良好的综合力学性能。以通过固溶时效1、2、3、4、6所制备的高强高韧耐高温钛合金的力学性能测试结果如表4所示。

表4固溶时效处理后高强高韧耐高温钛合金力学性能

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由表4的数据可以看出，锻锭经过固溶时效处理后的室温和600℃的力学性能，随着固溶温度的提高，抗拉强度逐渐升高，在1045℃达到最高。这是由于在高温下，晶界强度下降明显，晶内强度起主要作用，初生α相强度低于转变β组织，合金转变β组织中弥散分布的次生α相可以有效地阻碍位错的滑移与攀移，从而提高合金的高温强度。塑性随着固溶温度的升高略有上升，随着温度的升高，延伸率逐渐下降。但固溶温度超过1045℃后，抗拉强度、塑性、延伸率均逐渐下降。时效处理的温度对合金的组织起着决定性的作用，当时效温度达到一定之后，随着时效温度的提高，综合力学性能呈现逐渐降低趋势。

以上所述，仅是是对本发明的效果较好的实施案例，并非为本发明做任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施措施做任何简单修、更变等变化，均仍属于本发明技术方案的保护内容内。

Claims

1.一种高强高韧耐高温钛合金，其特征在于，化学成分按重量百分计为：Al 5.4％～6.1％；Sn 3.7％～4.3％；Zr 3.0％～3.8％；Mo 0.2％～0.7％；Nb 0.2％～0.7％；Ta0.7％～1.3％；Si 0.2％～0.6％；C 0.04％～0.08％；余量为Ti和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐高温钛合金，其特征在于，所述高强高韧耐高温钛合金在室温时：抗拉强度≥1200MPa；屈服强度≥1100MPa；延伸率≥8.0％。

3.根据权利要求1所述的一种高强高韧耐高温钛合金，其特征在于，所述高强高韧耐高温钛合金在600℃时：抗拉强度≥750MPa；屈服强度≥600MPa；延伸率≥25％。

4.一种如权利要求1-3其中任意一项所述的高强高韧耐高温钛合金的制备方法，其特征在于，将原材料制成铸锭后，经过锻造和热处理步骤，即可获得所述高强高韧耐高温钛合金；其中锻造温度为980℃～1200℃。

5.根据权利要求4所述的一种高强高韧耐高温钛合金的制备方法，其特征在于，所述原材料制成铸锭的操作包括利用真空自耗电弧炉进行熔炼的步骤。

6.根据权利要求4所述的一种高强高韧耐高温钛合金的制备方法，其特征在于，所述锻造包括至少四火次多向锻造，所述四火次多向锻造包括以下步骤：

1)将所需要加工的钛合金升温至1140℃～1160℃后，保温120min～180min，然后进行第一火次多向锻造；

4)将步骤3)所得钛合金进行回火至1020℃～1030℃，保温200min～250min，然后进行第四火次多向锻造，空气中冷却；

所述四火次多向锻造过程中至少有一次锻造步骤为：镦粗变形量50％～66％，拔长至高径比2～2.5；

7.根据权利要求4所述的一种高强高韧耐高温钛合金的制备方法，其特征在于，所述热处理步骤包括固溶处理，所述固溶处理为在1000℃～1100℃下至少保持90～120min。

8.根据权利要求7所述的一种高强高韧耐高温钛合金的制备方法，其特征在于，所述高强高韧耐高温钛合金固溶处理后进行水冷却。

9.根据权利要求7所述的一种高强高韧耐高温钛合金的制备方法，其特征在于，所述高强高韧耐高温钛合金的热处理步骤还包括时效处理，所述时效处理在固溶处理结束后，所述时效处理为在680℃～750℃处理至少5h后空冷却至室温。

10.根据权利要求9所述的一种高强高韧耐高温钛合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理为在700℃下保持5h后空气冷却至室温。