CN116590572A - 一种抗氧化高温钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钛合金技术领域，公开一种抗氧化高温钛合金及其制备方法，且所述抗氧化高温钛合金由以下质量百分比组分组成：Al5.5～6.5％、Sn3.0～4.0％、Hf3.5～4.5％、Si0.3～0.5％、Ta0～3％、Nb0～3％，余量为Ti；且本发明首先利用理论计算进行抗氧化合金元素的筛选并设计合金成分，然后采用非自耗真空电弧熔炼法依次进行中间合金和目标合金的熔炼，最后进行均匀化热处理，得到具有优良抗氧化性能的高温钛合金。本发明能够解决钛合金在600℃以上温度抗氧化性较差的问题，并且能够避免合金研制的盲目性、周期长和成本高等缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金技术领域，尤其涉及一种抗氧化高温钛合金及其制备方法。
背景技术
随着航空航天领域对飞机发动机推重比要求的不断提高，高比强度的航天材料已成为人们关注的热点。目前，航空发动机中的高温部件通常采用镍基高温合金制造，这非常不利于提高发动机的推重比。因此以钛合金为代表的高比强度新型高温合金是生产航空发动机高温部件的理想材料。
自高温钛合金现世以来，其各方面的性能不断提高。例如，使用温度从350℃→600℃，抗拉强度从300MPa→1100MPa(IMI834、IMI829、BT18Y、BT36、Ti1100、Ti60、Ti600)。然而，高温钛合金在高温服役条件下(＞600℃)仍面临着抗氧化性随温度升高而急剧下降的困境，限制了其作为高温部件的应用。因此提高高温钛合金的抗氧化性能成为钛合金研究领域亟待解决的关键问题。
为此，本发明提供一种抗氧化高温钛合金及其制备方法。
发明内容
为了解决现有高温钛合金在600℃以上温度抗氧化性较差的问题，本发明提供一种抗氧化高温钛合金及其制备方法。本发明首先利用理论计算进行抗氧化合金元素的筛选并设计合金成分，然后采用非自耗真空电弧熔炼法依次进行中间合金和目标合金的熔炼，最后进行均匀化热处理，得到具有优良抗氧化性能的高温钛合金。本发明能够解决钛合金在600℃以上温度抗氧化性较差的问题，并且能够避免合金研制的盲目性、周期长和成本高等缺陷。本发明制备的高温钛合金优选成分在700℃下氧化100h后单位面积的氧化增重为0.4884mg/cm2。
本发明的一种抗氧化高温钛合金及其制备方法是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一个目的是提供一种抗氧化高温钛合金，由以下质量百分比组分组成：Al 5.5～6.5％、Sn 3.0～4.0％、Hf 3.5～4.5％、Si 0.3～0.5％、Ta 0～3％、Nb 0～3％，余量为Ti。
且本发明优选的，抗氧化高温钛合金，由以下质量百分比组分组成：Al 6％、Sn3.5％、Hf 4.0％、Si 0.4％、Ta 3％、余量为Ti。
本发明的第二个目的是提供一种上述抗氧化高温钛合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，采用第一性原理筛选合金元素并设计合金成分为：
Al 5.5～6.5％、Sn 3.0～4.0％、Hf 3.5～4.5％、Si 0.3～0.5％、Ta 0～3％、Nb0～3％，余量为Ti；
步骤2，将纯锡颗粒与纯铝颗粒A进行熔炼处理，获得锡铝中间合金；
将纯硅颗粒与纯铝颗粒B进行熔炼处理，获得硅铝中间合金；
将纯铌颗粒与纯铝颗粒C进行熔炼处理，获得铌铝中间合金；
将纯钽颗粒与海绵钛A进行熔炼处理，获得钛钽中间合金；
步骤3，按照步骤1所述合金成分的配比，分别称取相应质量的纯铪颗粒、海绵钛B、纯铝颗粒D、以及制备的锡铝中间合金、硅铝中间合金、钛钽中间合金和铌铝中间合金，进行熔炼处理，获得目标合金；
其中，Al元素由纯铝颗粒D、锡铝中间合金、硅铝中间合金和铌铝中间合金带入，Ti元素由海绵钛B和钛钽中间合金带入，Hf元素由纯铪颗粒带入，且锡铝中间合金+铌铝中间合金+铌铝中间合金+钛钽中间合金+纯铪颗粒+海绵钛B+纯铝颗粒D＝所述抗氧化高温钛合金的合金成分；
步骤4，将所述目标合金于1000～1200℃的温度下进行均匀化热处理，即获得所述抗氧化高温钛合金。
进一步地，所述海绵钛A、海绵钛B、纯铝颗粒A、纯铝颗粒B、纯铝颗粒C、纯铝颗粒D、纯铪颗粒、纯锡颗粒、纯硅颗粒、纯钽颗粒和纯铌颗粒的纯度均≥99.9wt.％。
进一步地，步骤2中，所述熔炼处理在氩气氛围中进行，且所述熔炼处理为真空电弧熔炼。
进一步地，步骤2中，制备各个中金合金时，所述熔炼处理的真空度均≤3.0×10- 3Pa，熔炼次数均≥3，其每次熔炼2～5min；
其中，制备铌铝中间合金时，所述熔炼处理的熔炼温度为2480～2520℃；
制备锡铝中间合金时，所述熔炼处理的熔炼温度为680～720℃；
制备硅铝中间合金时，所述熔炼处理的熔炼温度为1450～1550℃；
制备钛钽中间合金时，所述熔炼处理的熔炼温度为3000～3100℃。
进一步地，步骤3中，所述熔炼处理在氩气氛围中进行，且所述熔炼处理为真空电弧熔炼。
进一步地，步骤3中，所述熔炼处理的真空度≤3.0×10-3Pa，熔炼温度为1950～2050℃，熔炼次数≥3，其每次熔炼处理的时间为2～5min。
进一步地，步骤4中，所述均匀化热处理的保温时间为1～3h。
本发明的第三个目的是提供一种上述抗氧化高温钛合金在制备航空发动机高温部件中的应用。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明按照第一性原理计算结果(阻碍氧吸附：氧吸附能Eads-X<Eads-Ti；阻碍氧的内扩散：氧扩散能垒ED-X>ED-Ti)筛选出合金元素Nb和Ta。
本发明按照设计合金成分，且筛选并设计合金成分为Al 5.5～6.5％、Sn 3.0～4.0％、Hf 3.5～4.5％、Si 0.3～0.5％、Ta 0～3％、Nb 0～3％，余量为Ti和不可避免的杂质。尤其是优选成分Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-3Ta在700℃下氧化100h后单位面积的氧化增重为0.4884mg/cm2。
且本发明采用第一性原理计算从4、5、6周期部分过渡合金元素中筛选出能减缓钛合金初始氧化过程的抗氧化合金元素。由于“HCP→内层”路径的数量是“FCC→内层”路径的两倍，因此“HCP→内层”路径扩散能垒的大小对于阻碍氧扩散到内层更为重要。与其他合金元素相比，同时满足氧吸附能绝对值Eads-X<Eads-Ti(6.80eV)、氧扩散能垒ED-X>ED-Ti(1.92eV)的合金元素仅有Nb和Ta。因此该发明中主要是通过添加合金元素Nb和Ta来提高高温钛合金的抗氧化性。Nb含量的上限为6.5％，但过量Nb的加入将会导致高温钛合金高温强度和抗蠕变性能下降，因此，本发明的高温钛合金的Nb含量控制在0～3％。由于本发明没有添加其他β相稳定元素，且Ta与Nb为同主族元素，因此Ta的添加量也控制在0～3％。
本发明通过元素Al和Si的添加能够通过α相的固溶强化有效地提高钛合金的强度。除此之外Al由于其氧化膜Al2O3具有良好的致密性，是提高钛合金高温抗氧化性最重要和最有效的合金元素。但是，随着Al含量的增加，钛合金的塑性和变形能力将严重下降。因此，本发明的高温钛合金的Al含量控制在5.5～6.5％，想要提高抗氧化性只能添加其他合金元素。Si的主要作用是提高高温钛合金的强度和蠕变性能，对于钛合金高温下抗氧化性的改善十分有限。过量Si的添加会降低钛合金的塑性，尤其是室温塑性。因此，本发明的高温钛合金的Si含量控制在0.5wt.％以下。
元素Sn在钛合金中主要起固溶强化作用。目前，各国高温钛合金的Sn含量范围为1.5wt.％～4.8wt.％；2.0％以上Sn的加入能够一定程度的改善抗氧化性。因此，本发明的高温钛合金的Sn含量控制在3.0～4.0％。
本发明考虑到Zr对于抗氧化性的影响与Si的作用十分相似，对于钛合金高温下抗氧化性的改善十分有限，甚至会对抗氧化性产生负面效应，为此，本发明选用中性元素Hf可以用于替代传统高温钛合金中所含的Zr，且本发明通过加入Hf可以提高钛合金的强度和塑性，且为了确保其能够在改善钛合金高温下抗氧化性的基础上，同时提高钛合金的强度和塑性，本发明的高温钛合金的Hf含量控制在3.5～4.5％。
附图说明
图1为对比例1的高温钛合金在700℃下氧化100h后样品的光镜照片；
图2为图1放大8000倍后的扫描电镜照片；
图3为实施例1的高温钛合金在700℃下氧化100h后样品的光镜照片；
图4为图3放大8000倍后的扫描电镜照片；
图5为实施例2的高温钛合金在700℃下氧化100h后样品的光镜照片；
图6为图5放大8000倍后的扫描电镜照片；
图7为实施例3的高温钛合金在700℃下氧化100h后样品的光镜照片；
图8为图7放大8000倍后的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种抗氧化高温钛合金，且其成分是采用第一性原理计算从4、5、6周期部分过渡合金元素中筛选出能减缓钛合金初始氧化过程的抗氧化合金元素。
本发明考虑到由于“HCP→内层”路径的数量是“FCC→内层”路径的两倍，因此“HCP→内层”路径扩散能垒的大小对于阻碍氧扩散到内层更为重要。与其他合金元素相比，同时满足氧吸附能绝对值Eads-X<Eads-Ti(6.80eV)、氧扩散能垒ED-X>ED-Ti(1.92eV)的合金元素仅有Nb和Ta，如表1所示。因此该发明中主要是通过添加合金元素Nb和Ta来提高高温钛合金的抗氧化性。
表1合金元素的氧吸附能绝对值、氧扩散能垒
本发明考虑到，过量Nb的加入将会导致高温钛合金高温强度和抗蠕变性能下降，因此，本发明的高温钛合金的Nb含量控制在0～3％。由于本发明没有添加其他β相稳定元素，且Ta与Nb为同主族元素，因此Ta的添加量也控制在0～3％。
本发明为了提高钛合金的强度，通过元素Al和Si的添加，以通过α相的固溶强化进而有效地提高钛合金的强度。除此之外Al由于其氧化膜Al2O3具有良好的致密性，是提高钛合金高温抗氧化性最重要和最有效的合金元素。本发明又考虑到，随着Al含量的增加，钛合金的塑性和变形能力将严重下降。因此，本发明的高温钛合金的Al含量控制在5.5～6.5％。
为了进一步提高钛合金的强度，本发明还添加了Si，且Si不仅能够进一步提高高温钛合金的强度，还能够改善其蠕变性能，但是Si对于钛合金高温下抗氧化性的改善十分有限。本发明考虑到过量Si的添加会降低钛合金的塑性，尤其是会降低其室温塑性，故本发明的高温钛合金的Si含量控制在0.5wt.％以下。
将高温钛合金的Al含量控制在5.5～6.5％后，导致其对抗氧化性的改善不足，并且Si也无法有效改善钛合金的抗氧化性，导致本发明进一步提高钛合金的抗氧化性只能添加其他合金元素。现有技术中，高温钛合金的Sn含量范围为1.5wt.％～4.8wt.％，而本发明考虑到含量为2.0％以上的Sn，能够一定程度的改善抗氧化性，本发明为了保证元素Sn在钛合金中起到其主要的固溶强化作用的基础上，能够实现对抗氧化性的改善效果，故本发明优选的将高温钛合金的Sn含量控制在3.0～4.0％。
传统的钛合金中含有Zr，其对于抗氧化性的影响与Si的作用十分相似，对于钛合金高温下抗氧化性的改善十分有限，甚至会对抗氧化性产生负面效应，为此，本发明选用中性元素Hf可以用于替代传统高温钛合金中所含的Zr，且本发明通过加入Hf可以提高钛合金的强度和塑性，且为了确保其能够在改善钛合金高温下抗氧化性的基础上，同时提高钛合金的强度和塑性，本发明的高温钛合金的Hf含量控制在3.5～4.5％。
基于上述，本发明抗氧化高温钛合金由以下质量百分比组分组成：Al 5.5～6.5％、Sn 3.0～4.0％、Hf 3.5～4.5％、Si 0.3～0.5％、Ta 0～3％、Nb 0～3％，余量为Ti。
且本发明优选的，抗氧化高温钛合金，由以下质量百分比组分组成：Al 6％、Sn3.5％、Hf 4.0％、Si 0.4％、Ta 3％、余量为Ti。
本发明还提供一种上述抗氧化高温钛合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，采用第一性原理筛选合金元素并设计合金成分为：
Al 5.5～6.5％、Sn 3.0～4.0％、Hf 3.5～4.5％、Si 0.3～0.5％、Ta 0～3％、Nb0～3％，余量为Ti；
需要说明的是，本发明通过采用第一性原理计算方法筛选合金元素可以避免合金研制的盲目性、周期长和成本高等问题。
步骤2，将纯锡颗粒与纯铝颗粒A进行熔炼处理，获得锡铝中间合金；
将纯硅颗粒与纯铝颗粒B进行熔炼处理，获得硅铝中间合金；
将纯铌颗粒与纯铝颗粒C进行熔炼处理，获得铌铝中间合金；
将纯钽颗粒与海绵钛A进行熔炼处理，获得钛钽中间合金；
需要说明的是，本发明考虑到不同颗粒的熔点差异，优选的，将Sn、Si、Nb、Ta以中间合金的形式加入，且具体将Sn以锡铝中间合金的形式加入，将Si以硅铝中间合金的形式加入，将Nb以铌铝中间合金的形式加入，将Ta以钛钽中间合金的形式加入。
且在进行熔炼各个中间合金时，熔炼处理均在氩气氛围中采用真空电弧熔炼进行，且熔炼处理的真空度均≤3.0×10-3Pa，熔炼次数均≥3，其每次熔炼均2～5min；并且根据各个合金成分的熔点设置相应的熔炼温度，比如，在制备铌铝中间合金时，熔炼温度为2480～2520℃；制备锡铝中间合金时，熔炼温度为680～720℃；制备硅铝中间合金时，熔炼温度为1450～1550℃；制备钛钽中间合金时，熔炼温度为3000～3100℃，以保证各中间合金组分均匀分布。
且本发明优选的，在制备铌铝中间合金时，纯铌颗粒与纯铝颗粒的质量比为3:2；在制备锡铝中间合金时，纯锡颗粒与纯铝颗粒的质量比为1:1；在制备硅铝中间合金时，纯硅颗粒与纯铝颗粒的质量比为1:1；在制备钛钽中间合金时，纯钽颗粒与海绵钛的质量比为3:17。
步骤3，按照步骤1所述合金成分的配比，分别称取相应质量的纯铪颗粒、海绵钛B、纯铝颗粒D、以及制备的锡铝中间合金、硅铝中间合金、钛钽中间合金和铌铝中间合金，进行熔炼处理，获得目标合金；
其中，Al元素由纯铝颗粒D、锡铝中间合金、硅铝中间合金和铌铝中间合金带入，Ti元素由海绵钛B和钛钽中间合金带入，Hf元素由纯铪颗粒带入，以使锡铝中间合金+铌铝中间合金+铌铝中间合金+钛钽中间合金+纯铪颗粒+海绵钛B+纯铝颗粒D＝所述抗氧化高温钛合金的合金成分，进而保证目标合金成分的准确性。且其中，海绵钛A、海绵钛B、纯铝颗粒A、纯铝颗粒B、纯铝颗粒C、纯铝颗粒D、纯铪颗粒、纯锡颗粒、纯硅颗粒、纯钽颗粒和纯铌颗粒的纯度均≥99.9wt.％。
需要说明的是，本发明优选的采用非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度≤3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，且熔炼温度为1950～2050℃，熔炼次数≥3，其每次熔炼处理的时间为2～5min。
步骤4，将所述目标合金于1000～1200℃的温度下进行均匀化热处理，即获得所述抗氧化高温钛合金；
本发明通过对目标合金于1000～1200℃的温度下进行均匀化热处理1～3h，以消除合金铸态组织中的微观偏析，提高合金成分的均匀性，有助于获得组分均匀分布的抗氧化高温钛合金。
实施例1
本发明提供一种抗氧化高温钛合金，其由以下质量百分比组分组成：6％Al、3.5％Sn、4％Hf、0.4％Si、1％Nb、2％Ta、余量为Ti组成。
且其由以下步骤制得：
步骤一、熔炼中间合金
1)将质量比为1:1的纯锡颗粒与纯铝颗粒A放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于700℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得锡铝中间合金；
2)将质量比为1:1的纯硅颗粒与纯铝颗粒B放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于1500℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得硅铝中间合金；
3)将质量比为3:2的纯铌颗粒与纯铝颗粒C放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于2480℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得铌铝中间合金；
4)将质量比为3:17的纯钽颗粒与海绵钛A放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于3000℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得钛钽中间合金。
步骤二、熔炼目标合金对应的高温钛合金铸锭
按照上述合金成分的配比，分别称取相应质量的纯铪颗粒、海绵钛B、纯铝颗粒D、以及制备的锡铝中间合金、硅铝中间合金、钛钽中间合金和铌铝中间合金，并将其一起放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体；且熔炼温度为2000℃，熔炼3次，每次熔炼处理的时间为3min，获得目标合金对应的高温钛合金铸锭。
步骤三、均匀化热处理：
将步骤二得到的高温钛合金铸锭放入可通保护气氛的电阻炉中，升温至1100℃后保温2小时，进行均匀化处理，以进一步确保成分均匀性，即可获得抗氧化高温钛合金，将本实施例制备的抗氧化高温钛合金记为Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-1Nb-2Ta。
实施例2
本发明提供一种抗氧化高温钛合金，其由以下质量百分比组分组成：6％Al、3.5％Sn、4％Hf、0.4％Si、3％Ta、余量为Ti组成。
且其由以下步骤制得：
步骤一、熔炼中间合金
1)将质量比为1:1的纯锡颗粒与纯铝颗粒A放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于700℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得锡铝中间合金。
2)将质量比为1:1的纯硅颗粒与纯铝颗粒B放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于1500℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得硅铝中间合金。
3)将质量比为3:17的纯钽颗粒与海绵钛A放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于3000℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得钛钽中间合金。
步骤二、熔炼目标合金对应的高温钛合金铸锭
按照上述合金成分的配比，分别称取相应质量的纯铪颗粒、海绵钛B、纯铝颗粒D、以及制备的锡铝中间合金、硅铝中间合金和钛钽中间合金，并将其一起放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体；且熔炼温度为2000℃，熔炼3次，每次熔炼处理的时间为3min，获得目标合金对应的高温钛合金铸锭。
步骤三、均匀化热处理：
将步骤二得到的高温钛合金铸锭放入可通保护气氛的电阻炉中，升温至1100℃后保温2小时，进行均匀化处理，以进一步确保成分均匀性，即可获得抗氧化高温钛合金，将本实施例制备的抗氧化高温钛合金记为Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-3Ta。
实施例3
本发明提供一种抗氧化高温钛合金，其由以下质量百分比组分组成：6％Al、3.5％Sn、4％Hf、0.4％Si、3％Nb、余量为Ti组成。
且其由以下步骤制得：
步骤一、熔炼中间合金
1)将质量比为1:1的纯锡颗粒与纯铝颗粒A放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于700℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得锡铝中间合金。
2)将质量比为1:1的纯硅颗粒与纯铝颗粒B放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于1500℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得硅铝中间合金。
3)将质量比为3:2的纯铌颗粒与纯铝颗粒C放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体，于2480℃的温度下，熔炼3次，每次熔炼时间为3min，获得铌铝中间合金。
步骤二、熔炼目标合金对应的高温钛合金铸锭
按照上述合金成分的配比，分别称取相应质量的纯铪颗粒、海绵钛、纯铝颗粒D、以及制备的锡铝中间合金、硅铝中间合金和铌铝中间合金，并将其一起放入非自耗真空电弧熔炼炉中进行熔炼，真空度3.0×10-3Pa且熔炼前充入纯度为99.99％的高纯氩气至0.05MPa作为保护气体；且熔炼温度为2000℃，熔炼3次，每次熔炼处理的时间为3min，获得目标合金对应的高温钛合金铸锭。
步骤三、均匀化热处理：
将步骤二得到的高温钛合金铸锭放入可通保护气氛的电阻炉中，升温至1100℃后保温2小时，进行均匀化处理，以进一步确保成分均匀性，即获得抗氧化高温钛合金，将本实施例制备的抗氧化高温钛合金记为Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-3Nb。
对比例1
本对比例以传统的Ti-6Al-4V为例。
实验部分
(一)抗氧化性能测试
本发明以实施例1-实施例3制备、以及对比例1的高温钛合金为例，对其分别进行700℃下的恒温氧化试验，其结果如下表2所示。
表2抗氧化性能测试结果
由表2可知，相比于传统的Ti-6Al-4V合金，本发明制备的高温钛合金具有优良的抗氧化性能，尤其是实施例2的Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-3Ta合金，在700℃下氧化100h后单位面积的氧化增重为0.4884mg/cm2。
(二)扫描电镜测试
本发明分别将经过上述抗氧化性能测试后的样品，即实施例1～实施例3制备、以及对比例1的高温钛合金在700℃下氧化100h后样品进行扫描电镜测试，其测试结果分别如图1～图8所示。
其中，图1为对比例1的高温钛合金在700℃下氧化100h后样品的光镜照片，且由图1可以看出，Ti-6Al-4V合金在700℃下氧化时间达到100h后，氧化膜剥落严重，已经不具备保护作用。
图2为图1放大8000倍后的扫描电镜照片，且由图2可以看出，多孔的、厚而松散的杆状氧化物团聚在一起形成了球团状氧化物，覆盖了整个氧化表面。
图3为实施例1的高温钛合金在700℃下氧化100h后样品的光镜照片，且由图3可以看出，Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-1Nb-2Ta合金在700℃下氧化100h后，其氧化膜没有发生剥落现象，样品表面十分暗淡。
图4为图3放大8000倍后的扫描电镜照片，且由图4可以看出，Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-1Nb-2Ta合金在700℃下氧化100h后，其氧化膜由较为细小的颗粒状氧化物和针状氧化物组成。
图5为实施例2的高温钛合金在700℃下氧化100h后样品的光镜照片，且由图5可以看出，Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-3Ta合金在700℃下氧化100h后，其氧化膜十分完好，没有发生剥落现象。
图6为图5放大8000倍后的扫描电镜照片，且由图6可以看出，Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-3Ta合金在700℃下氧化100h后，样品表面完全由均匀细小且致密连续的颗粒状氧化物覆盖。
图7为实施例3的高温钛合金在700℃下氧化100h后样品的光镜照片，且由图7可以看出，Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-3Nb合金在700℃下氧化100h后，其氧化膜也保存十分完好，没有发生剥落现象。
图8为图7放大8000倍后的扫描电镜照片，且由图8可以看出，Ti-6Al-3.5Sn-4Hf-0.4Si-3Nb合金在700℃下氧化100h后，样品表面由均匀细小的颗粒状氧化物和细针状氧化物组成，且针状氧化物位于颗粒状氧化物之间。
显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
Claims (10)
1.一种抗氧化高温钛合金，其特征在于，由以下质量百分比组分组成：
Al5.5～6.5％、Sn3.0～4.0％、Hf3.5～4.5％、Si0.3～0.5％、Ta0～3％、Nb0～3％，余量为Ti。
2.如权利要求1所述的抗氧化高温钛合金，其特征在于，由以下质量百分比组分组成：
Al6％、Sn3.5％、Hf4.0％、Si0.4％、Ta3％、余量为Ti。
3.一种权利要求1所述的抗氧化高温钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用第一性原理筛选合金元素并设计抗氧化高温钛合金的合金成分为：
Al5.5～6.5％、Sn3.0～4.0％、Hf3.5～4.5％、Si0.3～0.5％、Ta0～3％、Nb0～3％，余量为Ti；
步骤2，将纯锡颗粒与纯铝颗粒A进行熔炼处理，获得锡铝中间合金；
将纯硅颗粒与纯铝颗粒B进行熔炼处理，获得硅铝中间合金；
将纯铌颗粒与纯铝颗粒C进行熔炼处理，获得铌铝中间合金；
将纯钽颗粒与海绵钛A进行熔炼处理，获得钛钽中间合金；
步骤3，按照步骤1所述合金成分的配比，分别称取相应质量的纯铪颗粒、海绵钛B、纯铝颗粒D、以及制备的锡铝中间合金、硅铝中间合金、钛钽中间合金和铌铝中间合金，进行熔炼处理，获得目标合金；
其中，Al元素由纯铝颗粒D、锡铝中间合金、硅铝中间合金和铌铝中间合金带入，Ti元素由海绵钛B和钛钽中间合金带入，Hf元素由纯铪颗粒带入，且锡铝中间合金+铌铝中间合金+铌铝中间合金+钛钽中间合金+纯铪颗粒+海绵钛B+纯铝颗粒D＝所述抗氧化高温钛合金的合金成分；
步骤4，将所述目标合金于1000～1200℃的温度下进行均匀化热处理，即获得所述抗氧化高温钛合金。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述海绵钛A、海绵钛B、纯铝颗粒A、纯铝颗粒B、纯铝颗粒C、纯铝颗粒D、纯铪颗粒、纯锡颗粒、纯硅颗粒、纯钽颗粒和纯铌颗粒的纯度均≥99.9wt.％。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述熔炼处理在氩气氛围中进行，且所述熔炼处理为真空电弧熔炼。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，制备各个中金合金时，所述熔炼处理的真空度均≤3.0×10-3Pa，熔炼次数均≥3，其每次熔炼2～5min；
其中，制备铌铝中间合金时，所述熔炼处理的熔炼温度为2480～2520℃；
制备锡铝中间合金时，所述熔炼处理的熔炼温度为680～720℃；
制备硅铝中间合金时，所述熔炼处理的熔炼温度为1450～1550℃；
制备钛钽中间合金时，所述熔炼处理的熔炼温度为3000～3100℃。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述熔炼处理在氩气氛围中进行，且所述熔炼处理为真空电弧熔炼。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述熔炼处理的真空度≤3.0×10-3Pa，熔炼温度为1950～2050℃，熔炼次数≥3，其每次熔炼处理的时间为2～5min。
9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述均匀化热处理的保温时间为1～3h。
10.一种权利要求1所述的抗氧化高温钛合金在制备航空发动机高温部件中的应用。
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| CN202310563796.0A CN116590572A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种抗氧化高温钛合金及其制备方法 |
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2023
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