一種抗800℃高溫氧化的高強(qiáng)塑性鈦合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種抗800℃高溫氧化的高強(qiáng)塑性鈦合金，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，它包括Ti、Al、Sn、Zr、Hf、Mo、Ta、Nb和Si元素，其合金成分的重量百分比為Al：5.7～6％，Sn：2.7～3％，Zr+Hf：3.5～6.9％，Mo+Nb+Ta：0.2～0.9％，Si：0.3～0.4％，余量為Ti。本發(fā)明有益效果為通過合金設(shè)計(jì)，使鈦合金的組元元素添加含量配比合理，在保證Ti合金具有單一HCP?α相結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，獲得的合金在800℃下具有優(yōu)異的抗高溫氧化能力和優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，是一種低成本航空航天用發(fā)動(dòng)機(jī)材料。
【專利說明】
一種抗800 °C高溫氧化的高強(qiáng)塑性鈦合金
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種抗800°c高溫氧化、高耐蝕、以及具有優(yōu)異 綜合力學(xué)性能的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金結(jié)構(gòu)材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫近α-Ti合金具有密度小、抗高溫氧化性強(qiáng)、耐蝕性強(qiáng)和綜合力學(xué)性能優(yōu)異等 優(yōu)點(diǎn)，是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。高溫鈦合金使用溫度隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求 不斷提到，目前使用溫度最高為600°C，表1列出了使用溫度500°C以上的典型高溫鈦合金牌 號(hào)及成分，可以看出，為確保Ti合金在高溫下的使役性能，通常需要加入多個(gè)微量元素進(jìn)行 合金化，如Al、Sn、Zr、Mo、Si和Ta等，使得合金在HCP-α固溶體基體上存在少量BCC-β相。最為 重要的是，必須使得多個(gè)共同添加的合金化元素合理匹配，以保證高溫Ti合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 性。但高溫鈦合金在高溫長(zhǎng)期熱暴露情況下會(huì)產(chǎn)生a2_Ti3Al脆性相，將顯著降低合金的塑性 以及高溫?zé)岱€(wěn)定性，因此高溫鈦合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗氧化性是制約合金使用溫度兩個(gè)最 重要條件。
[0003] 目前高溫鈦合金使用溫度僅為600°C，對(duì)于使用溫度更高的工作環(huán)境只能采用其 它高溫材料或者使用高溫涂層，不利于結(jié)構(gòu)件減重。表1中列出的牌號(hào)鈦合金仍無法滿足更 高溫度下（>600°C)的航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧细邷馗邚?qiáng)塑性的要求。故尋找使用溫度高于600 °C以上的鈦合金將對(duì)航空航天領(lǐng)域發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。
[0004] 表1典型高溫鈦合金牌號(hào)及合金成分
[0005]
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對(duì)高溫鈦合金現(xiàn)有使用溫度不能超過600°C的不足，提供一種 抗800°C高溫氧化、高耐蝕、以及具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金結(jié) 構(gòu)材料。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種抗800°C高溫氧化的高強(qiáng)塑性鈦合金，該高強(qiáng)塑性 鈦合金包括11^1、311、2^^\1〇、了&、恥和3丨元素，其合金成分的重量百分比分別為41:5.7 ~6%，Sn:2.7~3%，Zr+Hf:3.5~6.9%，M〇+Nb+Ta:0.2~0.9%，Si:0.3~0.4%，余量為 Ti〇
[0009] 實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案的構(gòu)思是：利用
【申請(qǐng)人】的"團(tuán)簇+連接原子"結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)Ti- Al-Sn-Zr-Hf-Mo-Ta-Nb-Si合金成分。"團(tuán)簇+連接原子"結(jié)構(gòu)模型從原子化學(xué)可將固溶體結(jié) 構(gòu)看作由團(tuán)簇和連接原子兩部分構(gòu)成，團(tuán)簇成分式為[團(tuán)簇](連接原子)x。高溫鈦合金母相 為BCC結(jié)構(gòu)的β相，故采用BCC結(jié)構(gòu)團(tuán)簇模型，在該模型中，14個(gè)Zr原子占據(jù)第一殼層形成 CN14多面體團(tuán)簇，其它合金化元素在團(tuán)簇式中的占位原則是:與Ti具有最大的負(fù)混合焓的 元素 A1占據(jù)團(tuán)簇心部，具有強(qiáng)交互作用，開$成[Al-Tii4]團(tuán)簇;3]1、]/[0上、他、5;[與1';[原子易分 離，具有弱交互作用，作為團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型中連接原子;與Ti混合焓為0的元素 Zr、Hf，為Ti的 同族組元，可替代團(tuán)簇殼層上的Ti。故在Ti-Al-Sn-Zr-Hf-M0-Ta-Nb-Si體系合金中，形成的 團(tuán)簇成分通式為[41-01及邱)14孤(1為41、311^&、他、3丨）。根據(jù)此成分式設(shè)計(jì)合金成 分，然后轉(zhuǎn)化成重量百分比。設(shè)計(jì)的原則是保證各合金化元素添加含量的最優(yōu)配比，以保證 合金在BCC團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型上體現(xiàn)出強(qiáng)抗氧化性能和綜合力學(xué)性能。
[0010] 本發(fā)明的成分合金采用高純度組元元素按重量百分比合金成分進(jìn)行配比；然后利 用非自耗電弧熔煉爐在Ar氣保護(hù)下對(duì)配比的混合物進(jìn)行多次熔煉，以得到成分均勻的合金 錠，然后利用銅模吸鑄快冷工藝將合金錠制備成直徑為6mm的合金棒，用作抗氧化性、力學(xué) 性能、耐蝕性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣品；利用XRD(Cu Κα福射，λ = 〇. 15406nm)檢測(cè)合金結(jié)構(gòu)；利用顯 微維氏硬度計(jì)測(cè)試鈦合金的硬度;利用MTS試驗(yàn)機(jī)測(cè)試常溫和高溫力學(xué)性能;利用馬弗爐測(cè) 試抗氧化性能；利用Gamry電化學(xué)工作站測(cè)試合金耐蝕性能。由此確定出本發(fā)明中具有抗 800°C高溫氧化、高耐蝕性和優(yōu)異綜合力學(xué)性能的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金結(jié)構(gòu)材料， 其合金成分的重量百分比為，Α1:5·7~6%，Sn:2.7~3%，Zr+Hf :3.5~6.9%，Mo+Nb+Ta: 0 · 2~0 · 9%，Si : 0 · 3~0 · 4%。材料性能指標(biāo)為:硬度HV = 320-380kgf · mm-2，室溫拉伸強(qiáng)度 〇b = 990-1200MPa，650°C拉伸強(qiáng)度〇b = 550-600MPa，650°C塑性ε = 30-60 %，800°C氧化 100h 后氧化增重G+ = 1.5~6mg/cm2，在3.5%NaCl溶液中自腐蝕電壓E?rr = -0.3~-0.2V，腐蝕速 率 R= 1 · 5~5ym/a〇
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明是根據(jù)一種我們自行發(fā)展的團(tuán)簇合 金設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)并發(fā)展出了一種抗800°C高溫氧化的高強(qiáng)塑性鈦合金，通過合金設(shè)計(jì)確 保添加的合金化元素含量配比達(dá)到最優(yōu)，屏蔽了目前"炒菜式"的經(jīng)驗(yàn)繁瑣的成分方法，具 有材料設(shè)計(jì)的先導(dǎo)性；由此獲得的鈦合金具有高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、優(yōu)異的800°C高溫抗氧化能 力、以及優(yōu)異的室溫和高溫綜合力學(xué)性能及耐蝕性能，其典型性能指標(biāo)為:硬度狀=320_ 380kgf · mm-2，室溫拉伸強(qiáng)度〇b = 990-1200MPa，650 °C 拉伸強(qiáng)度〇b = 550-600MPa，650 °C 塑性 e = 30-60%，800°C氧化lOOh后氧化增重G+=1.5~6mg/cm2,在3.5%NaCl溶液中自腐蝕電壓 Ecorr - 0.3 ~-0.2VV，腐蝕速率R = 1.5 ~5ym/a。
[0012]本發(fā)明有益效果:①保證Ti合金具有單一 HCP-α相結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，獲得的Ti-Al-Sn- Zr-Hf-Mo-Ta-Nb-Si合金并具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能和綜合力學(xué)性能;②通過合金設(shè)計(jì)， 使得鈦合金的組元元素添加含量配比合理，從而實(shí)現(xiàn)合金在800°C下具有優(yōu)異的抗高溫氧 化能力和高溫下的高強(qiáng)大塑性;③發(fā)展出的鈦合金在具有優(yōu)異綜合性能的同時(shí)，是一種低 成本航空航天用發(fā)動(dòng)機(jī)材料。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0014] 實(shí)施例 1 :Ti86.47Al6.QlSn2.82Zr3.6lTa〇.72Si().37 合金
[0015] 步驟一:合金制備
[0016] Ti86.47Al6.QiSn2.82Zr3.6iTaQ.72SiQ.37合金，此成分源自團(tuán)族式[Al-(Tii3.7Zr0.3)] (AlQjSnQ.isSiQ.iTaQ.ra)。!1、41、511、21'、13、5;[純金屬按照給定的合金重量百分比成分進(jìn)行 配料;將混合料放在電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護(hù)下 進(jìn)行熔煉，如此反復(fù)熔煉3次，得到成分均勻的合金錠;然后將熔煉均勻的合金錠最后熔化， 并利用銅模吸鑄工藝將熔體吸入圓柱形銅模型腔中，得到Φ6πιπι的棒材，將Φ6πιπι合金棒在 950 °C固溶處理保溫lh后水淬，并在560 °C進(jìn)行時(shí)效處理保溫6h。
[0017]步驟二:合金結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試
[0018]利用XRD檢測(cè)合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 HCP-α固溶體結(jié)構(gòu);利用顯微維氏硬度計(jì)、馬弗 爐、MTS試驗(yàn)機(jī)及Gamry電化學(xué)工作站測(cè)試其性能參數(shù)，分別為:硬度HV = 354kgf · mm-2，800 °C氧化lOOh后氧化增重G+=1.8mg/cm2,室溫拉伸強(qiáng)度〇b = 990MPa，650°C拉伸強(qiáng)度σb = 560MPa，650 °C塑性ε = 38 %，在3.5 %NaCl溶液中自腐蝕電壓Ec〇rr = -0.26V，腐蝕速率R = 3 · Oym/a 〇
[0019] 實(shí)施例2 :Ti86.64Al6.Q2Sn2.82Zr3.6lTa〇.36Nb().18Si().37合金
[0020] 步驟一:合金制備
[0021 ] 1'186.64八16.023]12.822『3.61丁&().36他().183；[().37合金，[八1-(1'；[13.721'().3)](八1().69311().183；[0.1- Tao. Q15NbQ.Q15)。同實(shí)施例一中的步驟一。
[0022]步驟二:合金結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試
[0023]利用XRD檢測(cè)合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 HCP-α固溶體結(jié)構(gòu);利用顯微維氏硬度計(jì)、馬弗 爐、MTS試驗(yàn)機(jī)及Gamry電化學(xué)工作站測(cè)試其性能參數(shù)，分別為:硬度HV = 378kgf · mm-2，800 °C氧化100h后氧化增重G+ = 3.9mg/cm2,室溫拉伸強(qiáng)度σb=1032MPa，650°C拉伸強(qiáng)度σb = 580MPa，650°C塑性ε%=51%，在3·5%NaCl溶液中自腐蝕電壓Ec。rr = -0·23V，腐蝕速率R = 2.lym/a〇
[0024] 實(shí)施例3: Ti86.67AI6. 〇3Sn2.82Zn. 62M0。. i3Tao. 24Nbo. i2Sio. 37 合金
[0025] 步驟一:合金制備
[0026] Ti86.6 7Al6.03Sn2.82Zr3.62M〇0.13Ta〇. 24Nb〇. 12Si〇.37 合金，[Al_(Til3.7Zr0.3)] (Alo.69Sno.i8-Sio.iMoo.oiTao.oiNbo.oi)。同實(shí)施例一中的步驟一。
[0027]步驟二:合金結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試
[0028]利用XRD檢測(cè)合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 HCP-α固溶體結(jié)構(gòu);利用顯微維氏硬度計(jì)、馬弗 爐、MTS試驗(yàn)機(jī)及Gamry電化學(xué)工作站測(cè)試其性能參數(shù)，分別為：硬度Hv = 376kgf · mm-2，800 °C氧化100h后氧化增重G+ = 5.6mg/cm2,室溫拉伸強(qiáng)度〇『119010^，650°(：拉伸強(qiáng)度〇『 580MPa，650°C塑性ε%=60%，在3·5%NaCl溶液中自腐蝕電壓Ec。rr = -0·27V，腐蝕速率R = 1.7ym/a〇
[0029] 實(shí)施例4:1^83.77八15.823]12.73]^6.84]/[00.12丁已0.23他0.123；[0.36合金
[0030] 步驟一:合金制備
[0031 ] Ti83.7 7Al5.82Sn2.73Hf6. 84M〇0. 12丁已0.23仙0.125；[0.36合金，[八1-(1'；[13.7]^0.3)] (Alo.69Sno.i8-Sio.iMoo.oiTao.oiNbo.oi)。同實(shí)施例一中的步驟一。
[0032]步驟二:合金結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試
[0033]利用XRD檢測(cè)合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 HCP-α固溶體結(jié)構(gòu);利用顯微維氏硬度計(jì)、馬弗 爐、MTS試驗(yàn)機(jī)及Gamry電化學(xué)工作站測(cè)試其性能參數(shù)，分別為:硬度HV = 323kgf · mnf2，800 °C氧化100h后氧化增重G+ = 2.2mg/cm2,室溫拉伸強(qiáng)度〇b = 995MPa，650°C拉伸強(qiáng)度σb = 570MPa，650°C塑性ε%=53%，在3·5%NaCl溶液中自腐蝕電壓Ec。rr = -0·22V，腐蝕速率R = 2.7ym/a〇
[0034] 實(shí)施例5 :Ti85.19Al5.92Sn2.78Zri.79Hf3.48M〇0.12Ta〇.24Nb〇.12Si〇.36合金
[0035] 步驟一:合金制備
[0036] !'185.19八15.923]12.7821'1.79財(cái)3.48]/[0。.12丁&。.24處。.123；[。.36合金，[八1- (Ti13.7Zro.15HfQ.15) ]-(Alo.69SnQ.i8Si().iM〇().()iTa().()iNb().()i)。同實(shí)施例一中的步驟一。
[0037]步驟二:合金結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試
[0038]利用XRD檢測(cè)合金結(jié)構(gòu)，確定為單一 HCP-α固溶體結(jié)構(gòu);利用顯微維氏硬度計(jì)、馬弗 爐及Gamry電化學(xué)工作站測(cè)試其性能參數(shù)，分別為:硬度HV = 365kgf · mm-2，800°C氧化lOOh 后氧化增重G+ = 4.6mg/cm2,室溫拉伸強(qiáng)度〇『120010^，650°(：拉伸強(qiáng)度〇『60010^，65〇1€ 塑性ε%=48%，在3.5% NaCl溶液中自腐蝕電壓-0.24V，腐蝕速率R = 4.5ym/a。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種抗80(TC高溫氧化的高強(qiáng)塑性鈦合金，其特征在于:該高強(qiáng)塑性鈦合金包括Ti、 Al、Sn、Zr、Hf、Mo、Ta、Nb和Si元素，其合金成分的重量百分比為，Α1:5·7~6%，Sn:2.7~ 3%，Zr+Hf:3.5 ~6.9%，M〇+Nb+Ta:0.2 ~0.9%，Si:0.3 ~0.4%，余量為 Ti。
【文檔編號(hào)】C22C14/00GK105838923SQ201610379486
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】王清, 董闖, 王英敏, 羌建兵, 車晉達(dá)
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)