專利名稱：復合強化耐熱鈦合金的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種金屬材料技術領域的鈦合金，具體是一種復合強化耐熱鈦合金。
背景技術：
高溫鈦合金主要用于航天、航空等要求耐高溫的領域。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)動機設計工程師對高溫鈦合金性能的要求也越來越高。IMI834(英國)、Ti-1100(美國)、BT36(俄羅斯)等合金已作為600℃鈦合金應用于航空航天領域，我國在此方面也頗有建樹，研制獲得了600℃使用的Ti60、Ti600和阻燃鈦合金Ti40。
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，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顆粒增強鈦基復合材料的性能與組織特征”，TP650合金有望成為650℃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℃的強度僅相當于IMI834和Ti1100在650℃的強度，其耐熱溫度無法進一步提高。目前700℃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，與國外獲得實際應用的600℃高溫鈦合金比較，國內(nèi)600℃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、航空領域的需求。鈦合金在600℃-700℃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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種復合強化耐熱鈦合金。采用真空自耗熔煉技術，合成含有TiB增強相的鈦合金，并加入稀土La元素，吸收合金中的氧元素，同時生成氧化物強化合金。本發(fā)明的復合強化耐熱鈦合金最高使用溫度可達700℃。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明各組分重量百分比含量為Al3％-8％；Sn 1％-6％；Zr 1％-6％；Mo 0.5％-2％；Nb 0.5％-1.5％；Si 0.1％-0.8％；La 0.3％-1％；B 0.1％-0.5％；Ti為余量。
所述的Al，其優(yōu)選范圍是4％-7％；所述的Sn，其優(yōu)選范圍是3％-5％；所述的Zr，其優(yōu)選范圍是3％-5％；所述的Mo，其優(yōu)選范圍是0.6％-1.5％；所述的Nb，其優(yōu)選范圍是0.5％-1％；所述的Si，其優(yōu)選范圍是0.3％-0.6％；所述的La，其優(yōu)選范圍是0.4％-0.9％；所述的B，其優(yōu)選范圍是0.15％-0.4％。
本發(fā)明各個元素都是在原料制備過程中加入的，除Al、Zr、Si外，其余各合金元素均以中間合金或化合物的形式加入原料中，具體如下Nb以AlNb中間合金的方式加入，其含Nb量(重量百分比)為40％-65％；Mo以AlMo中間合金的方式加入，其含Mo量(重量百分比)為40％-65％；Sn以TiSn中間合金的方式加入，其含Sn量(重量百分比)為50％-80％；La和B以兩者之間的化合物形式加入，其含La量(重量百分比)為67％-76％。本發(fā)明提供的鈦合金是通過真空自耗電弧爐熔煉進行制備，為了保證化學成份的均勻性，制備過程中至少采用了兩次熔煉，一般采用三次熔煉。材料具體制備方法如下首先按比例稱取海綿鈦(一級)、鑭硼化合物、合金元素以及各中間合金，將其混合均勻；接著利用壓機將混合均勻的原料壓制成電極棒；然后將電極放入真空自耗電弧爐中進行一次熔煉，獲得一次錠；再將兩個一次錠用氬弧焊機焊接或爐內(nèi)焊接后，放入自耗電弧爐進行二次熔煉，獲得二次錠；同兩次熔煉工序進行三次熔煉。熔煉過程中發(fā)生的化學反應為12Ti+2LaB6+3[O]＝12TiB+La2O3。表面車光后的二次錠或三次錠經(jīng)1100-1150℃自由鍛造開坯，再在960-1010℃進行二次熱加工，開坯及二次加工的變形量最好都控制在75％以上，得到可進行熱處理的材料。優(yōu)選的熱處理工藝為1100℃、1小時、空冷的固溶處理和650℃、2小時、空冷的時效處理。推薦熱處理制度后的合金以層狀的組織為主，在基體中生成了針狀的陶瓷相，為TiB，還生成了細小的La2O3顆粒。此外，還發(fā)現(xiàn)針狀的TiB沿著加工方向形成了一定的排布。
本發(fā)明提供的鈦合金在650-700℃下仍保持良好的高溫強度、抗蠕變、熱穩(wěn)定等綜合性能，可應用于航天、航空的耐高溫領域。
本發(fā)明在650-700℃下仍然保持有良好的高溫拉伸、抗蠕變、熱穩(wěn)定等綜合性能，且本合金室溫塑性良好，在1100-1150℃變形抗力較小，易于加工。本發(fā)明提供的鈦合金，為新一代航空發(fā)動機提供理想的壓氣機盤和葉片材料。


圖1為實例1制備的復合強化耐熱鈦合金與Ti1100、IMI834、TP650合金高溫拉伸強度隨時間的變化關系示意圖。
圖2為實例1制備的復合強化耐熱鈦合金與IMI834合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率和初始應力關系對比示意圖。
圖3為實例1制備的復合強化耐熱鈦合金與IMI834合金的持久壽命和初始應力關系對比示意圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1按質量百分比稱取一級海綿鈦(79.8％)、LaBx(其中La的質量百分比70％)化合物(0.7％)、AlNb(Nb的質量百分比53％)中間合金粉末(1.6％)、鋁粉(4.2％)、AlMo(Al和Mo的質量百分比50％)中間合金粉末(2.0％)、TiSn(Sn的質量百分比65％)中間合金粉末(6.9％)、海綿鋯(4.5％)、結晶硅(0.3％)，制備質量百分比為Al6％-Sn4.5％-Zr4.5％-Mo1％-Nb0.9％-Si0.3％-La0.5％-B0.2％的復合強化耐熱鈦合金。將混合均勻的原料壓制成電極棒；然后將電極放入真空自耗電弧爐中進行一次熔煉，獲得一次錠；再將兩個一次錠用氬弧焊機或爐內(nèi)焊接后，放入自耗電弧爐進行二次熔煉，獲得二次錠；第三次熔煉處理工藝與二次熔煉相同。表面車光后的三次錠經(jīng)1100~1150℃自由鍛造開坯得到圓棒，再在960～1010℃進行二次熱加工，開坯及二次加工的變形量都在75％以上，得到可進行熱處理的材料。采用推薦的熱處理工藝1100℃、1小時、空冷的固溶處理+650℃、2小時、空冷的時效處理，即可制得TiB和La2O3強化的耐熱鈦合金。該合金增強相細小且分布均勻，室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、蠕變性能和熱穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于IMI834、Ti1100和TP650合金，下面分別列出四種合金各種性能數(shù)據(jù)，如表1-表4所示，其中σb為抗拉強度，σ0.2為規(guī)定非比例屈服強度，δ為延伸率。其余性能參見圖1-圖3所示。
表1室溫拉伸性能

表2高溫拉伸性能

表3蠕變、持久性能

表4熱穩(wěn)定性能


實施例2按質量百分比稱取一級海綿鈦(85.05％)、LaB4(La的質量百分比76％)化合物(0.65％)、AlNb(Nb的質量百分比40％)中間合金粉末(1.25％)、鋁粉(2.35％)、AlMo(Mo的質量百分比40％)中間合金粉末(1.5％)、TiSn(Sn的質量百分比50％)中間合金粉末(6％)、海綿鋯(3％)、結晶硅(0.2％)，制備質量百分比為Al4％-Sn3％-Zr3％-Mo0.6％-Nb0.5％-Si0.2％-La0.4％-B0.15％的復合強化耐熱鈦合金。按照實施例1相同的三次熔煉工藝和熱加工工藝，得到可進行熱處理的棒材。采用推薦的熱處理工藝1100℃、1小時、空冷的固溶處理+650℃、2小時、空冷的時效處理，制得的耐熱鈦合金的綜合性能與實施例1相近，室溫塑性和熱穩(wěn)定性稍好，而強度和持久蠕變性能稍差。
實施例3按質量百分比稱取一級海綿鈦(77.35％)、LaB6(La的質量百分比67％)化合物(1.3％)、AlNb(Nb的質量百分比65％)中間合金粉末(1.5％)、鋁粉(5.7％)、AlMo(Mo的質量百分比65％)中間合金粉末(2.3％)、TiSn(Sn的質量百分比80％)中間合金粉末(6.25％)、海綿鋯(5％)、結晶硅(0.6％)，制備質量百分比為Al7％-Sn5％-Zr5％-Mo1.5％-Nb1％-Si0.6％-La0.9％-B0.4％的復合強化耐熱鈦合金。按照實施例1相同的三次熔煉工藝和熱加工工藝，得到可進行熱處理的棒材。采用推薦的熱處理工藝1100℃、1小時、空冷的固溶處理+650℃、2小時、空冷的時效處理，制得的耐熱鈦合金的綜合性能與實施例1相近，強度和持久蠕變性能稍好，而室溫塑性和熱穩(wěn)定性稍差。
實施例4按質量百分比稱取一級海綿鈦(92.5％)、LaB4(La的質量百分比76％)化合物(0.4％)、AlNb(Nb的質量百分比40％)中間合金粉末(1.25％)、鋁粉(1.5％)、AlMo(Mo的質量百分比40％)中間合金粉末(1.25％)、TiSn(Sn的質量百分比50％)中間合金粉末(2％)、海綿鋯(1％)、結晶硅(0.1％)，制備質量百分比為Al3％-Sn1％-Zr1％-Mo0.5％-Nb0.5％-Si0.1％-La0.3％-B0.1％的復合強化耐熱鈦合金。按照實施例1相同的三次熔煉工藝和熱加工工藝，得到可進行熱處理的棒材。該材料增強相含量和合金元素含量相對較低，相變點也較低，采用以下熱處理工藝1050℃、1小時、空冷的固溶處理+650℃、2小時、空冷的時效處理，制得的耐熱鈦合金增強相極為細小且分布均勻，具有更優(yōu)異的室溫塑性和熱穩(wěn)定性，可適當延長時效處理的時間，以提高其強度和抗蠕變性能。
實施例5按質量百分比稱取一級海綿鈦(72.7％)、LaB6(La的質量百分比67％)化合物(1.5％)、AlNb(Nb的質量百分比65％)中間合金粉末(2.3％)、鋁粉(6.1％)、AlMo(Mo的質量百分比65％)中間合金粉末(3.1％)、TiSn(Sn的質量百分比80％)中間合金粉末(7.5％)、海綿鋯(6％)、結晶硅(0.8％)，制備質量百分比為Al8％-Sn6％-Zr6％-Mo2％-Nb1.5％-Si0.8％-La1％-B0.5％的復合強化耐熱鈦合金。按照實施例1相同的三次熔煉工藝和熱加工工藝，得到可進行熱處理的棒材。該材料增強相含量和合金元素含量相對較高，相變點也較高，采用以下熱處理工藝1125℃、1小時、空冷的固溶處理+600℃、1小時、空冷的時效處理，制得的耐熱鈦合金增強相分布均勻，室溫強度得到顯著提高，且有較好的抗蠕變性能。應嚴格控制時效處理的時間，避免室溫塑性和熱穩(wěn)定性的惡化。
權利要求
1.一種復合強化耐熱鈦合金，其特征在于，各組分重量百分比含量為Al3％-8％；Sn 1％-6％；Zr 1％-6％；Mo 0.5％-2％；Nb 0.5％-1.5％；Si 0.1％-0.8％；La 0.3％-1％；B 0.1％-0.5％；Ti為余量。
2.如權利要求1所述的復合強化耐熱鈦合金，其特征是，所述的Al，其重量百分比含量是4％-7％。
3.如權利要求1所述的復合強化耐熱鈦合金，其特征是，所述的Sn，其重量百分比含量是3％-5％。
4.如權利要求1所述的復合強化耐熱鈦合金，其特征是，所述的Zr，其重量百分比含量是3％-5％。
5.如權利要求1所述的復合強化耐熱鈦合金，其特征是，所述的Mo，其重量百分比含量是0.6％-1.5％。
6.如權利要求1所述的復合強化耐熱鈦合金，其特征是，所述的Nb，其重量百分比含量是0.5％-1％。
7.如權利要求1所述的復合強化耐熱鈦合金，其特征是，所述的Si，其重量百分比含量是0.3％-0.6％。
8.如權利要求1所述的復合強化耐熱鈦合金，其特征是，所述的La，其重量百分比含量是0.4％-0.9％。
9.如權利要求1所述的復合強化耐熱鈦合金，其特征是，所述的B，其重量百分比含量是0.15％-0.4％。
全文摘要
一種復合強化耐熱鈦合金，屬于稀有金屬技術領域。本發(fā)明各組分重量百分比含量為Al 3％－8％；Sn 1％－6％；Zr 1％－6％；Mo 0.5％－2％；Nb 0.5％－1.5％；Si 0.1％－0.8％；La 0.3％－1％；B 0.1％－0.5％；Ti為余量。本發(fā)明一方面凈化鈦合金，另一方面提高鈦合金的耐熱性能。本發(fā)明提供的鈦合金在650－700℃下仍保持良好的高溫強度、抗蠕變、熱穩(wěn)定等綜合性能，有望在航天、航空的耐高溫領域獲得應用。
文檔編號C22C14/00GK101074464SQ20071004230
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權日2007年6月21日
發(fā)明者呂維潔, 覃繼寧, 肖旅, 李云鋼, 張荻 申請人:上海交通大學