一種高強度高延伸率高溫鈦合金及其制備工藝的制作方法

本發明涉及一種合金成分設計及其制備工藝，屬于鈦合金技術領域。

背景技術：

鈦及鈦合金密度小、比強度高、耐腐蝕、耐高低溫性能好，是繼鋼鐵、鋁之后又一重要的結構材料，具有“第三金屬”、“太空金屬”等稱號。盡管鈦的工業化生產只有半個多世紀的歷史，但目前鈦及其合金已在航空、航天、航海、車輛工程、石油化工、冶金、機械、醫療、能源等眾多領域獲得廣泛應用，尤其是航空航天領域。鈦合金主要應用于飛機發動機輪盤、低壓渦輪葉片、轉子、鼓筒等部位，產品類型主要為鍛件和板材，鑒于發動機對材料的要求苛刻,要求其具有良好的室溫性能、高溫強度和斷裂韌性等的良好匹配，這就需要我們研制一種剛強度高延伸率的鈦合金。

高溫鈦合金的熱強化方式主要包括固溶強化和沉淀析出強化，目前所用的近α型Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高溫鈦合金，主要是以α相的固溶強化為主，同時適當利于彌散析出的α2相和硅化物相的沉淀強化作用，并通過合金化來提高β轉變溫度(Tβ)，從而提高熱強性和抗氧化能力，把α相的固溶強化發揮到極致。對于高溫鈦合金，Tβ是個很重要的參數，提高Tβ有助于改善合金的熱強性，但不能無限提高Tβ，在對合金成分進行設計時，還需要綜合考慮合金的鋁當量[Al]eq和鉬當量[Mo]eq，將[Al]eq或[Mo]eq值作為鈦合金設計的重要準則。

從國外高溫鈦合金發展歷程可以看到，隨著使用溫度的升高，合金中添加的元素呈多元化趨勢，如20世紀50年代初的Ti-6Al-4V，Ti-5Al-2.5Sn，Ti-8-1-1等合金化元素為2-3種；1984年研制成功的第一個600℃鈦合金IMI834合金化元素增加到7種。可見如果缺乏必要的理論指導，采用傳統炒菜試錯的方法，自主研制高溫鈦合金會具有盲目性、研制周期長、風險高等缺陷。為此，HU等開展了合金化對鈦合金力學性能影響的第一原理計算研究，采用LMTO-ASA超原胞總能方法，通過計算合金原子-空位相互作用能，系統研究元素周期表中第3、4、5周期中大部分元素對近α型鈦合金蠕變性能的影響。理論計算結果與實驗研究結果高度吻合，如今已證實Fe、Ni對高溫鈦合金持久和蠕變性能有非常不利的影響。第一原理計算與高溫鈦合金力學性能間的橋梁，為高溫鈦合金合金化元素選擇以及其作用預測提供了依據。本發明結合第一原理計算設計合金成分。

鍛造是鈦合金零件生產的重要途徑之一，通過鍛造不僅可以獲得合適的鍛件形狀，更重要的是可提高合金的機械性能。鈦合金鑄錠開坯通常從β相轉變溫度以上100～150℃的β單相區開始，然后逐步降低加熱溫度，采用自由鍛或徑向鍛造加工成短坯或棒材。改鍛一般在α+β兩相區或者在β轉變溫度附件交替進行，采用反復鐓拔以破碎粗大的鑄態組織，獲得等軸組織，隨后可根據實際需要采用自由鍛或模鍛等方式生產半成品或成品，本發明采用α+β鍛造工藝。

技術實現要素：

本發明要解決現有方法制備的鈦合金抗拉強度及延伸率差的問題，而提供一種高強度高延伸率高溫鈦合金成及制備工藝。

為實現如上所述的發明目的，本發明采用如下所述的技術方案。

本發明的一種高強度高延伸率高溫鈦合金按質量百分比由Al：5％-7％、Sn：3％-5％、Zr：4％-6％、Mo：0.3％-1.0％、Nb：0.5％-0.8％、Ta：1％-3％、Si：0.4％-0.5％、C：0.01％-0.1％、Er：0.1％-0.2％和余量的Ti制成。

上述高強度高延伸率高溫鈦合金的制備工藝是按以下步驟進行：

(1)合金原材料的稱取：按各元素重量百分比組成為5％-7％的Al、3％-5％的Sn、4％-6％的Zr、0.3％-1.0％的Mo、0.5％-0.8％的Nb、1％-3％的Ta、0.4％-0.5％的Si、0.01％-0.1％的C、0.1％-0.2％的Er和余量為Ti分別稱取海綿鈦、高純鋁錠、海綿鋯、高純硅、高純鉭片、高純石墨粉、Ti-Sn中間合金、Al-Nb中間合金、Al-Mo中間合金、Al-Er中間合金為原料；

(2)熔煉：將步驟(1)稱取的原材料采用水冷銅坩堝真空感應熔煉爐進行熔煉，熔煉功率為150～170KW，熔體懸浮時間為50s-60s。為提高成分的準確性和均勻性，鑄錠需反復熔煉三遍，得到鈦合金鑄錠；

(3)鍛造：將步驟(2)得到的合金鑄錠進行等溫單步軸向鍛造，將鑄錠在電阻爐中于1050℃保溫Tmin后取出轉運到鍛造設備上進行熱鍛造，變形量為76.7％，鍛造后空冷至室溫；鍛造前要將鑄錠鈦合金切去冒口，鑄錠四周涂上一層防氧化涂料，錠子四周包裹一層保溫棉，鍛造設置合適的加熱溫度及保溫時間，防止出現加熱時間太短以至鑄錠加熱不透，或加熱時間太長造成β晶粒長大等情況。優選鍛造時間為按1min/mm鑄錠半徑對應的時間記為t(即每mm半徑對應1min，總時間為t)，T＝(1.3-1.5)t。

采用如上所述的技術方案，本發明具有如下所述的優越性：

本發明所述的一種高強度高延伸率高溫鈦合金的成分設計及其制備工藝，具有：(1)本發明根據傳統近α型Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高溫鈦合金的設計思想，添加一定量的弱β穩定元素Ta和稀土元素Er，Ta與Ti具有相近的原子半徑和負電性，其在α-Ti中具有較大的固溶度，能起到很好的固溶強化作用，同時使合金保持較高的塑性，另外Ta還可以改善鈦合金的高溫抗氧化性。Er是稀土元素，在鈦合金中添加稀土元素時，稀土元素奪取鈦合金基體中的間隙氧元素，改善合金的韌性。另外稀土元素可以形成第二相彌散質點，能細化晶粒、增加位錯密度，有利于提高合金的拉伸強度和蠕變抗力；(2)本發明材料的高溫強化原理機理主要是靠控制Al當量、Mo當量的方法結合第一原理計算設計合金成分。

附圖說明

圖1鈦合金室溫拉伸性能對比柱狀圖；

圖2鈦合金高溫拉伸性能對比柱狀圖；

具體實施方式

通過下面的實施例可以更詳細的解釋本發明，本發明技術方案不局限于以下所列舉的具體實施方式。

實施例

本發明所述的一種高強度高延伸率高溫鈦合金，其成分安質量百分比包括：

Al：5％-7％、Sn：3％-5％、Zr：4％-6％、Mo：0.3％-1.0％、Nb：0.5％-0.8％、Ta：1％-3％、Si：0.4％-0.5％、C：0.01％-0.1％、Er：0.1％-0.2％和余量的Ti。

一種高強度高延伸率高溫鈦合金的制備工藝，具體步驟如下：

(1)合金原材料的稱取：按各元素重量百分比組成為5％-7％的Al、3％-5％的Sn、4％-6％的Zr、0.3％-1.0％的Mo、0.5％-0.8％的Nb、1％-3％的Ta、0.4％-0.5％的Si、0.01％-0.1％的C、0.1％-0.2％的Er和余量為Ti分別稱取海綿鈦、高純鋁錠、海綿鋯、高純硅、高純鉭片、高純石墨粉、Ti-Sn中間合金、Al-Nb中間合金、Al-Mo中間合金、Al-Er中間合金為原料；

(2)熔煉：將步驟(1)稱取的原材料采用水冷銅坩堝真空感應熔煉爐進行熔煉，熔煉功率為150～170KW，熔體懸浮時間為50s-60s。為提高成分的準確性和均勻性，鑄錠需反復熔煉三遍，得到鈦合金鑄錠；

(3)鍛造：將步驟(2)得到的合金鑄錠進行等溫單步軸向鍛造，將鑄錠在電阻爐中于1050℃保溫40min后取出轉運到鍛造設備上進行鍛造，變形量為76.7％，鍛造后空冷至室溫。鍛造前要將鑄錠鈦合金切去冒口，切后的錠子尺寸約為直徑60mm，高150mm；鑄錠四周涂上一層防氧化涂料Ti-1200，以防止錠子在加熱過程中過度氧化；錠子四周包裹一層保溫棉，以防止加熱后轉運和鍛造過程中錠子的過度降溫；設置合適的加熱溫度及保溫時間，防止出現加熱時間太短以至鑄錠加熱不透，或加熱時間太長造成β晶粒長大等情況。

本發明的具體實施例如下：

以下實施例1#—2#鈦合金材料的制備工藝為：原材料采用海綿鈦、高純鋁、海綿鋯、高純硅、高純鉭片、高純石墨粉、Ti-Sn中間合金、Al-Nb中間合金、Al-Mo中間合金、Al-Er中間合金經配料、混料后，用壓機壓制成電極，將電極在水冷銅坩堝真空感應熔煉爐熔煉3遍，制成合金鑄錠；將得到的合金鑄錠進行近等溫單步軸向鍛造，將鑄錠在電阻爐中于1050℃保溫40min后取出轉運到鍛造設備上進行鍛造，變形量為76.7％，鍛造后空冷至室溫。

實施例1#—2#鈦合金材料的合金成分(wt％)，見下表所示。

表1實施例1#—2#鈦合金材料的合金成分(wt％)

實施例1#—2#鈦合金材料的室溫拉伸性能，見下表所示。

表2實施例1#—2#鈦合金材料的室溫拉伸性能

實施例1#—2#鈦合金材料的650℃高溫拉伸性能，見下表所示。

表2實施例1#—2#鈦合金材料的650℃高溫拉伸性能

從以上數據我們可以看到，本發明合金具有良好的室溫和650℃高溫強度及延伸率。可見本發明在提高鈦合金強度及延伸率上效果顯著，尤其是對高溫延伸率明顯提高。