CN117999374A - 钛合金和由其制成的制品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有色金属冶金学，即涉及开发低合金化的钛合金，其特征为高温强度和热稳定性，并可用于制造意图在高温下长期运行的制品，即汽车发动机的排气系统的部件，钛合金含有铝、钼、硅、氧、氮、铁、氢，其中合金组分以以下比率计(重量％)：铝1.5至3.0，钼0.1至0.5，硅0.1至0.6，铁0.2最大值，氧0.15最大值，碳0.1最大值，氮0.03最大值，氢0.015最大值，钛和不可避免的杂质‑余量，其在一种实施方案中另外含有铜0.5至1.5重量％，和由其制成的制品。本发明实施方案的技术成果是制备钛合金，特征为高机械和性能性质的组合，包括较高水平的耐蠕变性，具有冷成型能力。
Description
本发明涉及有色金属冶金学，即涉及开发低合金化的钛合金，其特征为高温强度和热稳定性，并可用于制造意图在高温下长期运行的制品，即汽车发动机的排气系统的部件。
在各种商用应用例如内燃机和排气系统中，钛合金用于制造它们的部件例如进气阀和排气阀、壳体、涡轮叶轮、管线和罐。在许多这些应用中，由低合金化的钛合金制成的发动机部件，特别是排气系统经受500至800℃的运行温度。因此，合金的性能性质例如高温强度和耐氧化性是最重要的事。另外，使用的材料应表现出足够的工艺延展性，因为部件主要通过成卷片材金属的冷成型和通过焊接管的弯曲来制造。
因为内燃机的设计者改进发动机的效率，所以相应改进例如增压压力、压缩比和运行温度的特性。提高这些特性的水平导致需要材料将在燃烧室和排气系统中比目前可用常规的低合金化钛合金实现的更高运行温度和压力下耐(蠕变)应变。蠕变(其为固体材料在载荷下缓慢永久变形或残余应变的敏感性)当金属在升高的温度下经受恒定拉伸应力时发生。高的耐蠕变性允许材料长时间使用而没有形状和尺寸的变形，同时重要的是维持原始材料性质水平。
因此，需要除了它们的低价格外还具有高机械和性能性质的最好组合的材料。
存在已知的主要由以下组成的耐氧化高强度钛合金(重量％)：0.2至小于0.5铁、0.02至小于0.12氧、0.15至0.6硅和余量-钛和不可避免的杂质。该合金另外含有选自以下的至少一种元素：Al、Nb、V、Mo、Sn、Zr、Ni、Cr和Ta，其总含量小于1.5(美国专利号7767040，2010年8月3日公开，IPC C22C14/00)。
合金表现出高的塑性性质，但具有低的耐高温氧化性。
存在已知的低合金化的钛合金，特征为优异耐高温氧化性和耐腐蚀性，其用作汽车或摩托车排气系统的材料，含有(重量％)Al:0.30至1.50％、Si:0.10至1.0％、并另外含有Nb:0.1至0.5(美国专利号7166367，2007年1月23日公开，IPC B32B15/01、C22C14/00、F01N7/16)-原型(prototype)。
该合金在室温和升高的温度下表现出高强度和塑性性质，但高温耐蠕变性水平不足。
本发明的目的是开发低合金化的钛合金，其能够制造广泛的制品，包括在汽车的发动机部件和排气系统中使用的那些。
本发明实施方案的技术成果是制备钛合金，特征为高机械和性能性质的组合，包括较高水平的耐蠕变性，具有冷成型能力。
通过含有铝、钼、硅、氧、氮、铁、氢的钛合金实现技术成果，其中合金组分以以下比率计(重量％)：
钛和不可避免的杂质-余量，
其在一种实施方案中另外含有铜0.5至1.5重量％，和由其制成的制品。
将合金化元素从各组稳定剂引入合金组成：α-稳定剂：铝、氧、碳、氮；β-稳定剂：钼、铁、硅。在发明的一种实施方案中，将β-稳定剂-铜引入合金。
铝提高高温强度和耐蠕变性，减小高温下结垢。合金中的铝含量设置为含有1.5至3.0重量％。为了维持最优工艺延展性，合金中的最大铝含量限制为3.0重量％。
规定极限内的氧、氮和碳的含量，除强度改进以外，还提高钛的同素异形转变温度，并确保维持高水平的强度和延展性。较高浓度的氧、碳和氮降低工艺延展性并影响合金的强度。
β-稳定剂的组(Mo、Fe、Si、Cu)
合金以0.1至0.5重量％的量的钼合金化由于组织中β-相层的出现而促进强度改进，其充当相间边界并在变形期间抑制位错运动，以及防止高温下α-晶粒的集体生长。超过0.5重量％的钼含量减小高温强度，因为合金的β转变温度降低且组织中β-相的量提高。
合金中硅的存在(其存在于钛固溶体中)提高耐蠕变性。合金中的硅含量设置为含有0.1至0.6重量％。在这个范围内，硅与钛形成金属间化合物-硅化物(Ti3Si)。合金中形成所需量的硅化物提高高温强度、耐蠕变性，并防止高温下α-晶粒的生长。另外，硅明显提高合金的耐氧化性直至浓度为0.6重量％。在较高浓度下，工艺延展性/可成形性降低。
合金可另外与铜合金化。铜(作为共析形成元素并在钛α相中具有高溶解性)提供固溶强化的效果。形成Ti2Cu金属间颗粒(限制高温下边界迁移)帮助提高合金的高温强度，然而过量的Ti2Cu相颗粒减小室温下合金延展性，因此提出的合金中铜含量确定为最大1.5重量％。
限制为0.015重量％的合金中的最大氢含量帮助避免合金由于可能形成钛氢化物而变脆。
以规定的比率引入合金并单独特征为对钛的耐氧化性的有利效果的元素的组成，与已知的低合金化的钛合金相比有助于在获得合金的高耐蠕变性值同时确保强度和塑性性质以及满意的耐氧化性方面实现加成效果。
本发明的工业适用性由示例性实施方案证明。
根据工业方法使用真空电弧重熔方法熔融重量为2100kg的两种组成的锭以测试提出合金的性质。表1中给出合金的1号化学组成和2号化学组成。
表1
通过锻造和随后轧制将锭热加工以产生厚度为0.9mm的卷材。取交货条件下的样品以评价合金的机械性质。在20℃、500℃、700℃的温度下进行拉伸测试以分析机械性质；进行Er ichsen深拉杯测试以评价材料可成形性标准。表2中给出交货条件下的合金(退火状态)的拉伸性质的值并在图1中示出比较图。
表2
为了模拟制品中运行期间的材料性能，在静态实验室空气中在560℃和800℃的温度下进行两种组成的样品的等温退火，其中保持时间分别为100和200小时。此后，通过计算以mg/cm2计表示的样品的重量增加来评价耐氧化性。分别在图2和图3中示出的560℃和800℃下合金重量增加相对于氧化时间的平方根的图中示出了与原型合金相比耐氧化性的评价结果。
另外，在交货条件下的合金的样品上在500℃下100小时确定表示为在30MPa的应力下相对应变函数的耐蠕变性。在图4中给出的图中示出要求保护的合金与原型合金相比的耐蠕变性结果。
测试结果和评价数据的分析示出了所提出的合金与已知的低合金化的合金相比表现出高机械和性能性质的组合，包括高温耐蠕变性。长期等温退火之后合金样品的耐氧化性的评价结果显示材料的耐久性。
Claims (3)
1.钛合金，含有铝、钼、硅、铁、氧、碳、氮、氢，特征在于合金组分以以下比率计，重量％：
钛和不可避免的杂质-余量。
2.根据权利要求1所述的合金，特征在于它另外含有铜0.5-1.5重量％。
3.钛合金制品，特征在于它由权利要求1或2的合金制成。
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