CN117904488A - 一种赛车发动机用Ti-1100高温钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种赛车发动机用Ti‑1100高温钛合金，包含如下成分及含量：A1：5.50%~6.50%，Sn：2.25%~3.10%，Zr：3.50%~4.50%，Mo：0.35%~0.50%，杂质元素总和＜0.4%，余量为Ti；铸锭涂层后采用4‑5火次的β+50‑150℃加热镦拔拔长锻造至精锻坯料，火次变形量控制在75%以上，打磨修料后1火次β‑15‑20℃加热精锻，锯切分料后β+50‑80℃加热轧制成品，通过β→α+β→β循环锻造保证棒材微观组织中的针状α相均匀细小，无晶界α，具有优异的力学性能及510℃的高温蠕变指标。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金制备技术领域，尤其涉及一种赛车发动机用Ti-1100高温钛合金及其制备方法。
背景技术
Ti-1100钛合金名义成分是Ti-6A1-2.75Sn-4.0Zr-0.4Mo-0.45Si，该合金实际上是Ti-6242Si的发展型，其最高使用温度接近600℃，目前已大量应用在赛车发动机领域，主要生产发动机气门。由于使用环境的苛刻，及其蠕变和拉伸性能对组织形态非常敏感，因此，客户对产品微观结构提出了更高要求，必须是细小转变β基体上析出的针状α相，行业内对于近α合金，采用常规的多火次β相区镦拔锻造，可以获得转变β相组织形态，但晶粒尺寸普遍偏大，且析出的针状α相多以片层状态存在，温度和变形量控制不佳时存在少量等轴α相，导致产品微观组织及性能达不到技术指标要求。
发明内容
鉴于以上缺陷，本发明提出一种赛车发动机用Ti-1100高温钛合金，包含如下成分及含量：A1：5.50％～6.50％，Sn：2.25％～3.10％，Zr：3.50％～4.50％，Mo：0.35％～0.50％，杂质元素总和＜0.4％，余量为Ti。
优选的，杂质元素具体为：Fe≤0.02％，O：0.05-0.09％，C≤0.03％，Ni+Cr≤0.01％，H≤0.01％。
优选的，室温拉伸强度1000MPa以上，屈服强度900Mpa以上，延伸率≥10％，510℃蠕变＞35小时。
一种赛车发动机用Ti-1100高温钛合金制备方法，包括以下步骤：
中间坯料一次加热：将坯料加热700-820℃，保温1-2h，然后升温至Tβ以上50℃～100℃，保温120min～180min；
中间坯料一次镦拔：将棒料镦拔倒八方，得到方料，然后将方料高温热态回炉，加热温度为Tβ以上50℃～90℃，保温60-120min，再镦拔倒八方，横向滚圆得到棒料，然后将棒料高温热态回炉，横向滚圆，至终锻温度≥1020℃，锻后空冷；
中间坯料二次加热：将上述棒料加热700-820℃，保温1-2h，然后升温至Tβ以上50℃～90℃，保温120min～180min；
中间坯料二次镦拔：将加热后棒料镦拔至方料，将方料高温热态回炉至Tβ以上50℃～80℃，保温60-120min，再拔方至方料，将所述方料高温回炉至Tβ以上50℃～80℃，保温60-120min，再滚圆至棒料，至终锻温度≥1020℃，锻后空冷；
一锻加热：将上述棒料加热至温度Tβ以上10℃～30℃，保温120min-180min。
快锻：将棒料拔长，总锻造比≥2.2，变形量≥75％，终锻温度≥900℃，锻后空冷；
二锻加热：将快锻后棒料，加热至温度在Tβ以下15℃～30℃，保温70-120min。
精锻：使用精锻机1火次精锻，总锻造比≥2.5，变形量≥60％，终锻温度≥1000℃，锻后空冷得到成品；
成品一次加热：将精锻棒料加热温度在Tβ以上30℃～80℃，保温60-90min；
成品一次轧制：将精锻棒料使用轧机1火次精锻，总变形量≥65％，终锻温度≥1030℃，锻后空冷。
优选的，在“成品一次轧制”之后设置成品二次加热和轧制：
成品二次加热：对“成品一次轧制”修除裂纹缺陷，加热至温度在Tβ以上30℃～80℃，保温40-70min；
成品二次轧制：使用轧机1火次，得到直径更小的棒材，总变形量≥85％，终锻温度≥1030℃，锻后空冷。
优选的，成品热处理：对棒材进行750-800℃×2-4h热处理。
优选的，成品热机加：热处理后空冷矫直，机加扒皮抛磨至φ43.8mm和φ12.5mm成品。
优选的，还在“一次中间坯料加热”之前设置以下步骤：
铸锭加热：将铸锭锯切后在电阻炉中加热700-850℃，保温1-3h，然后升温至Tβ以上120℃～150℃，保温4-6h；
开坯锻造：将加热后的铸锭横向拔方，之后倒八方，在镦粗之方料，将方料倒棱滚圆，总锻造比≥4.5，变形量≥78％，终锻温度≥980℃，锻后空冷，并锯切分料得到坯料。
本发明提出的一种赛车发动机用Ti-1100高温钛合金，铸锭涂层后采用4-5火次的β+50-150℃加热镦拔拔长锻造至精锻坯料，火次变形量控制在75％以上，打磨修料后1火次β-15-20℃加热精锻，锯切分料后β+50-80℃加热轧制成品，通过β→α+β→β循环锻造保证棒材微观组织中的针状α相均匀细小，无晶界α，具有优异的力学性能及510℃的高温蠕变指标。
本发明制备的高温钛合金，成分纯净，尤其不需要加入Ta、Nb等稀有金属元素(具文献记载，铌(Nb)：0.2wt％～0.5wt％。Nb是一种弱β稳定元素，对α和β均有一定强化作用，但加入量超过一定限度对蠕变性能有不利影响。研究发现，Nb含量在.2wt％～0.5wt％范围内时，对合金蠕变性能影响很小，却可改善合金的抗氧化性。(Ta)：0.3wt％～3.4wt％。Ta是一种比Nb更弱的β稳定元素，对α和β均有一定强化作用。已有研究表明，Ta元素含量增加对600℃条件下的蠕变性能影响有限，仅可提高合金抗氧化性。而本发明根据多年耐热钛合金的研究经验及Ta元素的特性推断，Ta元素应该有利于钛合金蠕变性能的提高。进一步研究发现，在650℃蠕变条件下，Ta元素含量增加确实可有效提高材料蠕变性能，见附图4，这是本发明的重要发现之一。进一步研究发现，Ta的加入量应控制在0.9wt％～3.4wt％范围内，超过3.4wt％后对蠕变的改善作用变得不再明显，而合金的成本和比重却会增大。)，蠕变性能及其他力学性能即可满足特殊领域的用途。
附图说明
图1为Ti-1100φ12.5棒材100X的晶相组织图。
图2为Ti-1100φ12.5棒材200X的晶相组织图。
图3为Ti-1100φ12.5棒材500X的晶相组织图。
图4为Ti-1100φ43.18棒材100X的晶相组织图。
图5为Ti-1100φ43.18棒材200X的晶相组织图。
图6为Ti-1100φ43.18棒材500X的晶相组织图。
具体实施方式
参见图1-6，实施例1：
经表面质量、探伤和化学成分检验合格的Ti1100钛合金Ф600mm铸锭，经测试相变点为1022℃，铸锭锯切分料，Ф600mm。
将Ф600mm～Ф700mm铸锭锯切后在箱式电阻炉中加热700-850℃/保温1-3h，然后升温至Tβ以上120℃～150℃/保温4-6h。
Ф600mm～Ф700mm铸锭→横向径拔长至方料400mm～500mm倒八方(高径比2.1-2.5)→镦至H＝450-650mm→拔至方料350mm～400mm→倒棱滚圆至Ф380mm～430mm，总锻造比≥4.5，变形量≥78％，终锻温度≥980℃，锻后空冷。
中间坯料一次加热：坯料采打磨修料后按照工艺要求锯切分料；锯切打磨后的坯料采用箱式电阻炉，加热700-820℃/保温1-2h，然后升温至Tβ以上50℃～100℃/保温120min～180min。
中间坯料一次镦拔：Ф380mm～430→镦至H＝400-550mm→拔方料350mm～400mm→倒八方→高温热态回炉(Tβ以上50℃～90℃/保温60-120min)→镦至H＝400-550mm→拔方料350mm～400mm→倒八方→横向滚圆至Ф380-430mm，终锻温度≥1020℃，锻后空冷。
中间坯料二次加热：坯料打磨后采用箱式电阻炉，加热700-820℃/保温1-2h，然后升温至Tβ以上50℃～90℃/保温120min～180min。
中间坯料二次镦拔：Ф380mm～430→镦至H＝400-550mm→拔方料350mm～400mm→高温热态回炉(Tβ以上50℃～80℃/保温60-120min)→拔方料170～200mm→高温回炉(Tβ以上50℃～80℃/保温60-120min)→滚圆至Ф180-220mm，终锻温度≥1020℃，锻后空冷，打磨修料后锯切分料。采用箱式电阻炉，加热温度Tβ以上10℃～30℃/保温120min-180min。
一锻加热：Ф180-220mm→V型砧拔长至Ф130-150mm回炉→V型砧拔长至Ф120-130mm，快锻：总锻造比≥2.2，变形量≥75％，终锻温度≥900℃，锻后空冷。
二锻加热：锯切下料，采用箱式电阻炉，加热温度在Tβ以下15℃～30℃/保温70-120min。
精锻：使用SXP13精锻机1火次，精锻至Ф80mm，总锻造比≥2.5，变形量≥60％，终锻温度≥1000℃，锻后空冷。锯切下料，采用箱式电阻炉，加热温度在Tβ以上30℃～80℃/保温60-90min。使用250轧机1火次，将坯料Ф80轧制至Ф48mm黑皮棒材，总变形量≥65％，终锻温度≥1030℃，锻后空冷。
成品一次加热：对Ф48棒材粗扒皮修除裂纹缺陷，锯切下料，采用箱式电阻炉，加热温度在Tβ以上30℃～80℃/保温40-70min。
成品一次轧制：使用250轧机1火次，得到Ф15mm黑皮棒材，总变形量≥85％，终锻温度≥1030℃，锻后空冷。
棒材经750-800℃×2-4h，空冷热处理矫直，机加扒皮抛磨至Ф12.5mm成品。
成品棒材退火态的室温拉伸性能和显微组织如下，本发明生产的Ti1100合金棒材为细小均匀转变β基体析出的针状α，退火后的棒材具有良好的室温性能，室温拉伸强度1000MPa以上，屈服强度900Mpa以上，延伸率≥10％，且510℃蠕变＞35小时。
所述Ф12.5mm Ti-1100棒材退火态室温拉伸性能如下表1，组织结果如图1所示。
表1：
实施例2
本实施例中，在实施例1的基础上，成品一次加热、轧制后，经过热处理、矫直，机加扒皮抛磨至Ф12.5mm成品。
成品棒材退火态的室温拉伸性能和显微组织如下，本发明生产的Ti1100合金棒材为细小均匀转变β基体析出的针状α，退火后的棒材具有良好的室温性能，室温拉伸强度1000MPa以上，屈服强度900Mpa以上，延伸率≥10％，510℃蠕变＞35小时。
所述Ф12.5mm Ti-1100棒材退火态室温拉伸性能如下表2，组织结果如图2所示。
表2
上述两个实施例中，析出的针状α相的占比＞90％，主要是在变形量≥85％的大变形成品轧制工序产生。本专利生产的棒材组织为接近网篮组织，该专利产品最终使用温度瞬时可以达到600℃，长时间使用温度可达到510℃，蠕变性为510℃温度下大于35小时，同时具有良好的室温性能，室温拉伸强度1000MPa以上，屈服强度900Mpa以上，延伸率≥10％。
上面结合附图对本方案实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种赛车发动机用Ti-1100高温钛合金，其特征在于包含如下成分及含量：A1：5.50%~6.50%，Sn：2.25%~3.10%，Zr：3.50%~4.50%，Mo：0.35%~0.50%，杂质元素总和＜0.4%，余量为Ti。
2.一种赛车发动机用Ti-1100高温钛合金，其特征在于：杂质元素具体为：Fe≤0.02%，O：0.05-0.09%，C≤0.03%，Ni+Cr≤0.01%，H≤0.01%。
3.一种赛车发动机用Ti-1100高温钛合金，其特征在于：室温拉伸强度1000MPa以上，屈服强度900Mpa以上，延伸率≥10%，510℃蠕变＞35小时。
4.一种赛车发动机用Ti-1100高温钛合金制备方法，其特征在于包括以下步骤：
中间坯料一次加热：将坯料加热700-820℃，保温1-2h，然后升温至Tβ以上50℃~100℃，保温120min~180min；
中间坯料一次镦拔：将棒料镦拔倒八方，得到方料，然后将方料高温热态回炉，加热温度为Tβ以上50℃~90℃，保温60-120min，再镦拔倒八方，横向滚圆得到棒料，然后将棒料高温热态回炉，横向滚圆，至终锻温度≥1020℃，锻后空冷；
中间坯料二次加热：将上述棒料加热700-820℃，保温1-2h，然后升温至Tβ以上50℃~90℃，保温120min~180min；
中间坯料二次镦拔：将加热后棒料镦拔至方料，将方料高温热态回炉至Tβ以上50℃~80℃，保温60-120min，再拔方至方料，将所述方料高温回炉至Tβ以上50℃~80℃，保温60-120min，再滚圆至棒料，至终锻温度≥1020℃，锻后空冷；
一锻加热：将上述棒料加热至温度Tβ以上10℃~30℃，保温120min-180min；
快锻：将棒料拔长，总锻造比≥2.2，变形量≥75%，终锻温度≥900℃，锻后空冷；
二锻加热：将快锻后棒料，加热至温度在Tβ以下15℃~30℃，保温70-120min；精锻：使用精锻机1火次精锻，总锻造比≥2.5，变形量≥60%，终锻温度≥1000℃，锻后空冷得到成品；
成品一次加热：将精锻棒料加热温度在Tβ以上30℃~80℃，保温60-90min；
成品一次轧制：将精锻棒料使用轧机1火次精锻，总变形量≥65%，终锻温度≥1030℃，锻后空冷。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于在“成品一次轧制”之后设置成品二次加热和轧制：
成品二次加热：对“成品一次轧制”修除裂纹缺陷，加热至温度在Tβ以上30℃~80℃，保温40-70min；
成品二次轧制：使用轧机1火次，得到直径更小的棒材，总变形量≥85%，终锻温度≥1030℃，锻后空冷。
6.如权利要求4或5之一所述的制备方法，其特征在于：成品热处理：对棒材进行750-800℃×2-4h热处理。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：成品热机加：热处理后空冷矫直，机加扒皮抛磨至φ43.8mm和φ12.5mm成品。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于还在“一次中间坯料加热”之前设置以下步骤：
铸锭加热：将铸锭锯切后在电阻炉中加热700-850℃，保温1-3h，然后升温至Tβ以上120℃~150℃，保温4-6h；
开坯锻造：将加热后的铸锭横向拔方，之后倒八方，在镦粗之方料，将方料倒棱滚圆，总锻造比≥4.5，变形量≥78%，终锻温度≥980℃，锻后空冷，并锯切分料得到坯料。
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