專利名稱：一種復(fù)合耐熱鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐熱鈦合金，特別是涉及一種用于制造各種高溫環(huán)境下使用的鈦合金零部件的耐熱鈦合金。
背景技術(shù)：
耐熱鈦合金是制造當代高性能航空器材例如航空發(fā)動機所必須的先進材料，隨著發(fā)動機性能的不斷提高，對耐熱鈦合金的性能也提出了越來越高的要求。
CN1031721A公開了一種最高使用溫度可達550°C的耐熱鈦合金，其特征在于采用稀土元素釹(Nd)使鈦合金強化并改善鈦合金表面的抗氧化性能。合金的成分范圍為鋁2.5 7 ;錫2 11 ;鋯O. 5 5 ;鑰O. 2 2 ;硅O. 08 O. 5 ;釹O. 2 2. 5 ;鈦余量，其最佳成分范圍為鋁4. 5 6. 5 ;錫3 6 ;鋯I 3 ;鑰O. 5 1. 5 ;硅O.1 O. 3 ;釹O. 5 1. 5 ; 鈦余量。據(jù)說該耐熱鈦合金在550°C下仍保持有良好的高溫抗張強度、抗蠕變強度和熱穩(wěn)定性等綜合性能。
目前先進航空發(fā)動機要求鈦合金的使用溫度要達到600°C，而常規(guī)鈦合金的極限使用溫度就是600°C，在此溫度下合金的某些性能急劇惡化，尤其是抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性能無法滿足使用要求。
高溫鈦合金主要用于航天、航空等要求耐高溫的領(lǐng)域。如航空發(fā)動機對高溫鈦合金的要求苛刻，它 要求材料具有良好的室溫性能、高溫強度、蠕變性能、熱穩(wěn)定性、疲勞性能和斷裂韌性等的匹配。發(fā)動機性能的提高很大程度上取決于材料高溫性能的提高，發(fā)動機設(shè)計工程師對高溫鈦合金性能的要求也越來越高。頂1834(英國)、T1-1lOO(美國)、 BT36(俄羅斯)等合金已作為600°C鈦合金應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，我國在此方面也頗有建樹，研制獲得了 600°C使用的Ti60、Ti600和阻燃鈦合金Ti40。
毛小南等人在《稀有金屬材料與工程》，2004年6月，第33卷第6期，620-623，撰文“TP 650顆粒增強鈦基復(fù)合材料的性能與組織特征"，TP650合金有望成為650°C鈦合金，具有易加工、低成本、穩(wěn)定的界面、耐熱耐蝕、耐磨等特點，但其700°C的強度僅相當于 IMI834和TillOO在650°C的強度，其耐熱溫度無法進一步提高。目前700°C用鈦材的典型代表是Ti3Al基金屬間化合物，其特點是比強度高比模量高和抗燃燒，但室溫塑性和斷裂韌性低。然而，與國外獲得實際應(yīng)用的600°C高溫鈦合金比較，國內(nèi)600°C高溫鈦合金綜合性能與國外尚存在差距，并不能滿足國家航天、航空領(lǐng)域的需求。鈦合金在600°C -700°C之間的熱穩(wěn)定性主要涉及到脆性相Ti3X(X = Al,Ge, In，Sn等)的析出，而通常采用通過提高合金含量來提高合金使用溫度的方法將有可能引起脆性相Ti3X的析出，從而降低合金的熱穩(wěn)定性。應(yīng)控制合金元素的種類和含量，避免出現(xiàn)熱穩(wěn)定性的惡化。
本領(lǐng)域仍然期待具有優(yōu)異性能的新穎耐熱鈦合金。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在使用溫度達到600°C時，其抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性能仍能滿足使用要求的耐熱鈦合金。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種耐熱鈦合金，其特征在于該合金由以下重量百分數(shù)的原料組成
鋁4% 8%，錫 1% 7%，鋯 2% 8%，
鎢O. 25% 4%，硅O. 1% O. 5%，鈮O. 2% 2. 5%，其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
在本發(fā)明鈦合金的一個實施方案中，所述鋁的重量百分數(shù)為4. 5% 7. 5%。
在本發(fā)明鈦 合金的一個實施方案中，所述錫的重量百分數(shù)為1. 5% 6.5%。
在本發(fā)明鈦合金的一個實施方案中，所述鋯的重量百分數(shù)為2. 5% 8%。
在本發(fā)明鈦合金的一個實施方案中，所述鎢的重量百分數(shù)為O. 4% 3. 5%。
在本發(fā)明鈦合金的一個實施方案中，所述硅的重量百分數(shù)為O. 1% O. 45%。
在本發(fā)明鈦合金的一個實施方案中，所述鈮的重量百分數(shù)為O. 25% 2. 25%。
在本發(fā)明鈦合金的一些實施方案中，其基本上具有如下文實施例所述的配方組成和配比。
本發(fā)明所設(shè)計的是一種七組元鈦合金，采用高溫固溶原理，在合金中加入了重量百分比為O. 25 4%的高熔點金屬鎢元素、O. 1% O. 5%的硅元素和O. 2% 2. 5%的鈮元素，能夠提高合金的高溫強度和抗蠕變性能；同時合金的組織得到細化，疲勞性能顯著改善；并且能夠使合金的加工工藝性能提高，使其獲得了較好的綜合性能。
本品的制備過程是將純度為99%以上的鋁、鋯和鈮三種金屬(顆粒或屑)及鈦-80錫、鋁-20鎢、鋁-10硅三種中間合金按重量百分比鋁4% 8 %，錫I % 7 %，鋯 2% 8%，鎢O. 25% 4%，硅O. 1% O. 5%，鈮O. 2% 1. 5%，其余為鈦進行配制，然后在油壓機上壓制成塊狀電極，并將數(shù)塊電極采用等離子焊接組焊成長條狀電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2 3次熔煉，將熔煉好的鑄錠加熱至1100°C進行鍛造加工，最終制成各種規(guī)格的棒材；或鍛制成板坯，然后將板坯軋制成各種厚度的板材。
在一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的鑄錠采用真空自耗電弧爐熔煉，熔煉次數(shù)為三次。在一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的鑄錠采用真空自耗電弧爐熔煉，熔煉次數(shù)為三次，最后一次熔煉穩(wěn)定階段的壓強應(yīng)不大于5Pa。在一個實施方案中，所述自耗電極不使用鎢極氬弧焊焊接。
在本發(fā)明的一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的力學(xué)性能在經(jīng)β相區(qū)固溶+時效熱處理后的試樣坯上進行測試，可以采用的熱處理制度為1000 1020°C，保溫O. 25 4h，爐冷至920°C 960°C保溫O. 25 4h，空冷；920 940°C，保溫O. 25 4h，爐冷至750°C 850°C保溫O. 25 4h，空冷。
在本發(fā)明的一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的力學(xué)性能在經(jīng)α+β相區(qū)固溶+時效熱處理后的試樣坯上進行測試，可以采用的α+β相區(qū)固溶+時效熱處理制度為920 950°C，保溫O. 25 4h，空冷；750°C保溫O. 25 4h，空冷。
在本發(fā)明的一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的力學(xué)性能在經(jīng)β相區(qū)固溶+時效熱處理后的試樣坯上進行測試，可以采用的β相區(qū)固溶+時效熱處理制度為1000 1020°C， 保溫I 4h，爐冷至920°C 960°C保溫I 4h，空冷；920 940°C，保溫I 4h，爐冷至 750°C 850°C保溫I 4h，空冷。
在本發(fā)明的一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的力學(xué)性能在經(jīng)α+β相區(qū)固溶+時效熱處理后的試樣坯上進行測試，可以采用的α+β相區(qū)固溶+時效熱處理制度為920 950°C，保溫I 4h，空冷；750°C保溫I 4h，空冷。
在本發(fā)明的一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的熱處理制度可以為1000 1020°C， 保溫O. 25 4h，爐冷至920°C 960°C保溫O. 25 4h，空冷；920 940°C，保溫O. 25 4h，爐冷至750°C 850°C保溫O. 25 4h，空冷。
在本發(fā)明的一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的熱處理制度可以為920 950°C，保溫O. 25 4h，空冷；750°C保溫O. 25 4h，空冷。
在本發(fā)明的一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的熱處理制度可以·為1000 1020°C， 保溫I 4h，爐冷至920°C 960°C保溫I 4h，空冷；920 940°C，保溫I 4h，爐冷至 750°C 850°C保溫I 4h，空冷。
在本發(fā)明的一個實施方案中，本發(fā)明鈦合金的熱處理制度可以為920 950°C，保溫I 4h，空冷；750°C保溫I 4h，空冷。
本發(fā)明所制備的鈦合金棒材和板材具有良好的綜合性能，尤其是抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性優(yōu)異。例如在一個實施方案中本發(fā)明的耐熱鈦合金具有如下優(yōu)良性能
室溫拉伸性能Rm 彡 880MPa, A5 ^ 12%, Z ^ 24% ；
高溫蠕變性能600°C /150MPa/100h條件下殘余變形彡O. 12% ；
熱穩(wěn)定性600°C /IOOh 熱暴露后，Rm 彡 840MPa, A5 ^ 6%, Z ^ 9% ；
室溫疲勞性能R = -1，σ彡430Mpa。
同時該合金具有良好的可焊性，可采用真空電子束或氬弧焊方法對合金板材進行焊接加工，焊接強度系數(shù)大于90%。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點本發(fā)明具有良好的綜合性能，尤其是抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性優(yōu)異，抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性形成良好的匹配，可以在600°C甚至在 700°C條件下長期使用；同時該合金具有良好的可焊性，可采用真空電子束或氬弧焊方法對合金板材進行焊接加工，焊接強度系數(shù)大于90%。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明。
在本發(fā)明中，相關(guān)參數(shù)的測試方法可以使用已知方法，例如使用以下標準記載的方法GB/T 228-2002金屬拉伸試驗方法；GB/T 232-1999金屬彎曲試驗方法；GB/T 3621-1994鈦及鈦合金板材；GB/T 4698-1996鈦及鈦合金化學(xué)分析方法；GB/T 5168-1985 兩相鈦合金高低倍組織檢驗方法；Q/BS 0505鈦及鈦合金中板超聲波探傷方法；GB/T 3620. 2鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分及成分允許偏差。
實施例1
本實施例合金的原料組成及重量百分數(shù)為
招 8*%、錫 1*%、錯 8*%、
鎢O. 25%、硅O. 5%、鈮O. 2%，其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
制備工藝將純度為99%以上的鋁、鋯和鈮三種金屬(顆粒或屑)及鈦-80錫、 鋁-20鎢、鋁-10硅三種中間合金按上述配比進行配制，然后在油壓機上壓制成塊狀電極，并將數(shù)塊電極采用等離子焊接組焊成長條狀電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2 3次熔煉，將熔煉好的鑄錠加熱至1100°C進行鍛造加工，最終制成各種規(guī)格的棒材。
本實施例所制備的合金棒材具有良好的綜合性能，尤其是抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性優(yōu)異
室溫拉伸性能Rm 彡 880MPa, A5 ^ 12%, Z ^ 24% ；
高溫蠕變性能600°C /150MPa/100h條件下殘余變形彡O. 12% ；
熱穩(wěn)定性600°C /IOOh 熱暴露后，Rm 彡 840MPa, A5 ^ 6%, Z ^ 9% ；
室溫疲勞性能R = -1，σ彡430Mpa。
實施例2
本實施例合金的原料組成及重量百分數(shù)為
鋁4%，錫 7%，鋯 2%，
鎢4%，硅O. 1%，鈮2.5%，其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
制備工藝將純度為99%以上的鋁、鋯和鈮三種金屬(顆粒或屑)及鈦-80錫、 鋁-20鎢、鋁-10硅三種中間合金按上述配比進行配制，然后在油壓機上壓制成塊狀電極， 并將數(shù)塊電極采用等離子焊接組焊成長條狀電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2 3次熔煉，將熔煉好的鑄錠加熱至1150°C進行鍛造加工，鍛制成板坯，然后將板坯軋制成各種厚度的板材。
本實施例所制備的合金板材具有良好的綜合性能，尤其是抗蠕變性能和疲勞性能優(yōu)異
室溫拉伸性能Rm 彡 950MPa, A5 ^ 13%, Z ^ 24% ；
高溫蠕變性能600°C /170MPa/100h條件下殘余變形彡O. 15% ；
熱穩(wěn)定性600°C /IOOh 熱暴露后，Rm 彡 920MPa, A5 ^ 6%, Z ^ 10% ；
室溫疲勞性能R =-1，σ彡450Mpa。
同時該合金具有良好的可焊性，可采用真空電子束或氬弧焊方法對合金板材進行焊接加工，焊接強度系數(shù)大于90%。
實施例3
本實施例合金的原料組成及重量百分數(shù)為
鋁6. 8%，錫 2. 8%，鋯 7. 8%，
鎢O. 7 %，硅O. 375 %，鈮O. 4%，其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
制備工藝將純度為99%以上的鋁、鋯和鈮三種金屬(顆?；蛐?及鈦-80錫、 鋁-20鎢、鋁-10硅三種中間合金按上述配比進行配制，然后在油壓機上壓制成塊狀電極， 并將數(shù)塊電極采用等離子焊接組焊成長條狀電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2 3次熔煉，將熔煉好的鑄錠加熱至1200°C進行鍛造加工，鍛制成板坯，然后將板坯軋制成各種厚度的板材。
本實施例所制備的合金板材具有良好的綜合性能，尤其是抗蠕變性能和室溫疲勞性能優(yōu)異
室溫拉伸性能Rm 彡 970MPa, A5 ^ 10%, Z ^ 23% ；
高溫蠕變性能600°C /150MPa/100h條件下殘余變形彡O. 10% ；
熱穩(wěn)定性600°C /IOOh 熱暴露后，Rm 彡 91OMPa, A5 ^ 6%, Z ^ 9% ；
室溫疲勞性能R =-1，σ≥470Mpa。
同時該合金具有良好的可焊性，可采用真空電子束或氬弧焊方法對合金板材進行焊接加工，焊接強度系數(shù)大于90%。
實施例4
本實施例合金的原料組成及重量百分數(shù)為
鋁5. 2%，錫5. 3%，鋯4. 25%，鎢2. 25%，硅O. 1%，鈮1. 75%，其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
制備工藝將純度為99%以上的鋁、鋯和鈮三種金屬(顆?；蛐?及鈦-80錫、 鋁-20鎢、鋁-10硅三種中間合金按上述配比進行配制，然后在油壓機上壓制成塊狀電極， 并將數(shù)塊電極采用等離子焊接組焊成長條狀電極，然后在真空自耗電弧爐中進行2 3次熔煉，將熔煉好的鑄錠加熱至1200°C進行鍛造加工，鍛制成板坯，然后將板坯軋制成各種厚度的板材。
本實施例所制備的合金板材具有良好的綜合性能，尤其是抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性優(yōu)異
室溫拉伸性能Rm ≥ 960MPa, A5 ^ 9%, Z ^ 22% ；
高溫蠕變性能600°C /160MPa/100h條件下殘余變形≥O. 2% ；
熱穩(wěn)定性600°C /IOOh 熱暴露后，Rm ≥ 91 OMPa, A5 ^ 6%, Z ^ 9% ；
室溫疲勞性能R =-1，σ≥420Mpa。
同時該合金具有良好的可焊性，可采用真空電子束或氬弧焊方法對合金板材進行焊接加工，焊接強度系數(shù)大于90%。
實施例5
本實施例合金的原料組成及重量百分數(shù)為
鋁4. 5 %，錫3 %，鋯4. 5 %，鎢O. 8 %，硅O. 4%，鈮O. 4 %，其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
制備工藝將純度為99%以上的鋁、鋯和鈮三種金屬(顆?；蛐?及鈦-80錫、 鋁-20鎢、鋁-10硅三種中間合金按上述配比進行配制，然后在油壓機上壓制成塊狀電極， 并將數(shù)塊電極采用等離子焊接組焊成長條狀電極，然后在真空白耗電弧爐中進行2 3次熔煉，將熔煉好的鑄錠加熱1150°C進行鍛造加工，最終制成各種規(guī)格的棒材。
本實施例所制備的合金棒材具有良好的綜合性能
室溫拉伸性能Rm ≥ 850MPa, A5 ^ 11%, Z ^ 24% ；
高溫蠕變性能600°C /160MPa/100h條件下殘余變形≥O. 15% ；
熱穩(wěn)定性600°C /IOOh 熱暴露后，Rm ≥ 800MPa, A5 ^ 6%, Z ^ 9% ；
室溫疲勞性能R =-1，σ≥460Mpa。
比較例I
本比較例合金配方和制備工藝基本上參考上述實施例5，不同之處是將合金配方中的鈮替換為釔。
所制備的合金棒材性能如下
室溫拉伸性能Rm ≥ 740MPa, A5 ^ 7%, Z ^ 18% ；
高溫蠕變性能600°C /160MPa/100h條件下殘余變形≥O. 28% ；
熱穩(wěn)定性600°C /IOOh 熱暴露后，Rm ≥ 71 OMPa, A5 ≥ 3%, Z ≥ 6% ；
室溫疲勞性能R =-1，σ≥420Mpa。
權(quán)利要求
1.一種耐熱鈦合金，其特征在于該合金由以下重量百分數(shù)的原料組成 鋁4% 8%，錫1% 7%，鋯2% 8%， 鎢0. 25% 4%，硅0. 1% 0. 5%，鈮0. 2% 2. 5%，其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的耐熱鈦合金，其中所述鋁的重量百分數(shù)為4.5% 7. 5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2任一項的耐熱鈦合金，其中所述錫的重量百分數(shù)為1.5% 6.5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項的耐熱鈦合金，其中所述鋯的重量百分數(shù)為2.5% 8%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項的耐熱鈦合金，其中所述鎢的重量百分數(shù)為0.4% 3.5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項的耐熱鈦合金，其中所述硅的重量百分數(shù)為0.1% 0.45%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項的耐熱鈦合金，其中所述鈮的重量百分數(shù)為0.25% 2.25%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項的耐熱鈦合金，其基本上具有如實施例所述的配方組成和配比。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合耐熱鈦合金，該合金由以下重量百分數(shù)的原料組成鋁4％～8％，錫1％～7％，鋯2％～8％，鎢0.25％～4％，硅0.1％～0.5％，鈮0.2％～2.5％，其余為鈦和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明鈦合金具有如說明書所述優(yōu)良特點。
文檔編號C22C14/00GK103014412SQ20111028917
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者胡鑫, 王振強, 黃克忠, 李峰, 李鵬 申請人:什邡市明日宇航工業(yè)股份有限公司