本發(fā)明屬于鈦合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種560～650℃短時服役的鑄造高溫鈦合金。

背景技術(shù)：

鈦合金由于具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是作為航空發(fā)動機(jī)材料。高溫鈦合金是為提高航空發(fā)動機(jī)推重比而開發(fā)的，包括以固溶強(qiáng)化為主要強(qiáng)化方式的傳統(tǒng)高溫鈦合金和以有序強(qiáng)化為主的ti-al系金屬間化合物，前者可分為兩類：α+β型和近α型。α+β型高溫鈦合金使用溫度最高可達(dá)500℃左右，其特點(diǎn)是β穩(wěn)定元素含量較高，室溫下β相含量較多，絕大多數(shù)可采用熱處理強(qiáng)化。而近α型鈦合金中僅含少量β相(體積分?jǐn)?shù)3％～10％)，β穩(wěn)定元素含量接近其在α相中的固溶度，兼顧了α型鈦合金的高蠕變強(qiáng)度和α+β型鈦合金的高靜強(qiáng)度，使用溫度最高可達(dá)到600℃。

目前，高溫變形鈦合金主要應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)鼓筒、高壓壓氣機(jī)輪盤和低壓渦輪葉片等，高溫鑄造鈦合金已用于導(dǎo)彈的沖壓式噴氣發(fā)動機(jī)“頜式”進(jìn)氣道、導(dǎo)彈艙體、陀螺殼體、麻雀導(dǎo)彈的彈翼等。隨著使用溫度的提高，對鈦合金性能的要求更為苛刻，不僅需要良好的疲勞韌性、斷裂強(qiáng)度，較強(qiáng)的抗熱腐蝕性能，較強(qiáng)的抗氧化性能和較高的強(qiáng)度，而且需要良好的氧化性和組織穩(wěn)定性以及可靠的使用性能。

目前國內(nèi)外成熟的高溫鈦合金主要有美國的ti-6242s、ti-1100，英國的imi829、imi834，俄羅斯的bt18y和bt36，以及中國的ta12、ti60等，其使用溫度及名義成分如表1所示。

表1各國典型高溫鈦合金

其中，imi829、imi834、bt18y、bt36、ti60是變形合金，ti-6242s和ti-1100是鑄造合金，在國外ti-6242s合金的應(yīng)用僅次于ti-64合金，麥道公司在ma飛行速度戰(zhàn)略導(dǎo)彈研制中，將其沖壓發(fā)動機(jī)頜下進(jìn)氣道設(shè)計(jì)為分段鑄模的ti6242s鈦合金鑄件。鑄造鈦合金具有成本低、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，但是鑄造過程中縮松、縮孔等缺陷多，應(yīng)力大，鑄件易變形開裂。

ge公司研制出的一種650℃高溫高強(qiáng)抗氧化鈦合金，其專利公開號為us4906436，通過添加hf和ta等合金元素，能顯著提高合金的高溫抗拉強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和抗氧化性。缺點(diǎn)是塑性偏低，沒有熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，對熱穩(wěn)定性考慮較少。

在公開號為cn104018027的發(fā)明創(chuàng)造中，中國科學(xué)院金屬研究所研發(fā)的一種新型耐熱鈦合金，其合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍為：al5.4％～6.3％、sn3.0％～5.0％、zr2.5～6.4％、mo≤0.96％、si0.25％～0.5％、nb0.2％～0.5％、ta0.3％～3.4％、w0.2％～1.6％、c≤0.07％、o≤0.17％、fe≤0.03％，余量為ti和不可避免的雜質(zhì)元素。該合金通過不同的熱加工和熱處理工藝相結(jié)合，能夠獲得拉伸強(qiáng)度與塑性、持久和蠕變強(qiáng)度與熱穩(wěn)定性的不同匹配，用于制作航空發(fā)動機(jī)葉片、盤件等零件時，在600-650℃可長期使用；用于制作航天飛行器蒙皮等耐高溫結(jié)構(gòu)件，在700℃左右短時使用。但是，由于sn元素含量高，其鑄造性能較差，并且由于w等高熔點(diǎn)元素的添加，對合金的后續(xù)影響尚不明確。

在公開號為cn102978440的發(fā)明創(chuàng)造中，西北有色金屬研究院研發(fā)的一種短時高溫高強(qiáng)鈦合金，該合金由以下重量百分比的成分組成：al5.8％～7.0％、sn2％～4％、zr2％～4％、w+mo+cr5.0％～7.0％、c≤0.15％，余量為ti和不可避免的雜質(zhì)；其中，mo≤3.0％，cr≤1.0％。該合金具有良好的短時高溫高強(qiáng)鈦合金熱工藝性能，通過熱處理后可獲得高的強(qiáng)塑性配合，600℃其抗拉強(qiáng)度達(dá)到810mpa，500℃抗拉強(qiáng)度達(dá)到900mpa，適于短時高溫高承力零部件應(yīng)用。缺點(diǎn)是合金疲勞性能較差，合金使用壽命短。

在公開號為cn102839297的發(fā)明創(chuàng)造中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)公開了一種高溫鈦合金，該合金按質(zhì)量百分比成分范圍為：al5.5％～7％、sn2％～4％、zr8％～11％、mo0.4％～1.2％、nb0.4％～1.5％、w0.5％～1.5％、si0.15％～0.3％，余量為ti。該合金在700℃條件下抗拉強(qiáng)度為585.4mpa，延伸率為32.4％。缺點(diǎn)是該合金中添加了較多的al元素，會導(dǎo)致ti3al脆性相析出，從而降低合金的塑性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的鑄造性能差、強(qiáng)度塑性不匹配的步驟，本發(fā)明提出了一種適用于560～650℃的鑄造鈦合金。

本發(fā)明包括86～86.5％的ti、5.7～5.9％的al、1.8～2.3％的sn、3.4～3.9％的zr、0.46～0.9％的mo、0.5～0.9％的nb、0.12～0.18％的si、0.3～0.7％的ta和0～0.06的c，余量為雜質(zhì)；所述的百分比為質(zhì)量百分比。

本發(fā)明針對上述背景中存在的鑄造性能差、強(qiáng)度塑性不匹配等問題，提供一種鑄造性能優(yōu)良，開裂傾向小，能夠在550℃長期使用,600～650℃短時服役，在高溫下其蠕變抗力和熱穩(wěn)定性能夠滿足使用要求的鑄造高溫鈦合金。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明產(chǎn)品合金的成分設(shè)計(jì)基于ti-al-sn-zr-mo-si系的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制降低鑄造性能的sn元素含量，同時調(diào)整各元素的含量，并適當(dāng)添加少量的nb、ta、c元素。

本發(fā)明的合金為近α型鈦合金，其中al是典型的α穩(wěn)定元素，但是當(dāng)al的含量超過α相的溶解極限后，會析出以ti3al為基的有序α2固溶體，合金變脆，塑性顯著下降，熱穩(wěn)定性降低。其中al含量以不超過6％、鋁當(dāng)量不超過9％為宜，本文中al當(dāng)量為6.9～7.6。

sn和zr為典型的中性元素，對α相起固溶強(qiáng)化作用，同時也能提高其熱強(qiáng)度，有利于壓力加工及焊接性能。其中sn元素加入量過多會降低材料的氫脆敏感性和鑄造性能，還會析出ti3sn硬脆相，降低熱穩(wěn)定性能。

mo、nb、ta都是β穩(wěn)定元素，其中mo能改善合金的加工性能，提升合金的熱暴露性，但是添加量以不小于1％為宜。適當(dāng)添加nb元素能夠起到提高合金高溫強(qiáng)度的效果，和mo同時作用還能起到保證熱穩(wěn)定性和持久性的作用。ta元素最顯著的作用就是能夠提升合金的抗氧化性，但是由于ta元素熔點(diǎn)高，密度大，添加過多會導(dǎo)致ta分布不均勻，從而對合金的整體性能產(chǎn)生較大的危害，故ta的成分范圍應(yīng)控制在1％以下。

si在高溫下能形成(sn、zr)6si3硅化物，硅化物的形貌和分布對合金高溫下的蠕變性能和拉伸性能有較大的影響。美國的ti-6242s通過添加0.1wt％的si能顯著提高合金的蠕變強(qiáng)度和高溫性能，添加過量的si則會導(dǎo)致合金塑性、韌性降低，因此，si含量一般控制在0.1％-0.5％。

c元素的作用是提高合金的拉伸強(qiáng)度。

與現(xiàn)有高溫鈦合金合金相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一、發(fā)明中的合金采用的合金體系是ti-al-sn-zr-mo-nb-si-ta-c系，其主要元素在已有的600℃高溫鈦合金基礎(chǔ)上做了微量的調(diào)整，其中al含量為5.7％～5.9％，al當(dāng)量為6.9～7.6，al含量超過6％會導(dǎo)致脆性相ti3al的析出，極大地降低合金塑性；sn元素是中性元素，對α相起固溶強(qiáng)化作用，并提高熱強(qiáng)度，但是添加過量的sn會導(dǎo)致合金的鑄造性能變差，流動性差，出現(xiàn)鑄件澆不足的情況，本發(fā)明主要是提供一種適用于560℃～650℃的鑄造鈦合金，因此通過將sn元素含量控制在2％左右，不僅保證了合金的熱強(qiáng)度，而且提高了合金的鑄造性能，顯著降低裂紋開裂傾向，從本發(fā)明的實(shí)施例3、4、5可以看出，降低sn含量能夠改善合金的流動性及鑄造性能，并顯著減少鑄件裂紋數(shù)量和尺寸。

二、添加了少量的si、c元素，少量si的添加對合金高溫蠕變性能的改善作用十分明顯，si在高溫下形成(sn、zr)6si3硅化物，能提高合金高溫強(qiáng)度和高溫蠕變性能，當(dāng)si的含量超過0.3％，會導(dǎo)致硅化物析出，因此本發(fā)明中si元素的含量控制在0.12％～0.18％，避免因硅化物的析出導(dǎo)致塑性、韌性降低。在合金中加入c元素，能夠改善合金的高溫蠕變和持久性能，實(shí)施例1、2中，微量c元素的添加提高合金室溫拉伸強(qiáng)度，缺點(diǎn)是塑性下降了。

三、ti元素作為合金的基體元素，控制在86％～86.5％，其優(yōu)勢在于能夠充分保證合金的比強(qiáng)度，由于ti親和力好，在空氣中鈦和氧接觸反應(yīng)，在表面生成致密的、吸附力強(qiáng)的、惰性大的氧化膜，保護(hù)基體不受腐蝕。同時嚴(yán)格控制重金屬ta的含量，減輕合金質(zhì)量。鑄件經(jīng)過熱等靜壓和適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，能?shí)現(xiàn)高溫強(qiáng)度和塑性的良好匹配，室溫下抗拉強(qiáng)度達(dá)到1050mpa，550℃下抗拉強(qiáng)度達(dá)到620mpa，延伸率不低于10％，600℃下抗拉強(qiáng)度達(dá)到600mpa，延伸率不低于10％。

附圖說明

圖1為實(shí)施例3開裂杯著色后裂紋示意圖；

圖2為實(shí)施例4開裂杯著色后裂紋示意圖；

圖3為實(shí)施例5開裂杯著色后裂紋示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例是一種鑄造高溫鈦合金，包括86.5％的ti、5.81％的al、2.15％的sn、3.46％的zr、0.46％的mo、0.65％的nb、0.18％的si和0.53％的ta，余量為雜質(zhì)，所述的百分比為質(zhì)量百分比。

使用冷坩堝懸浮熔煉爐澆注試棒試樣，所得鑄造圓柱試棒直徑為14.5mm，長為180mm。鑄造試棒經(jīng)過920℃/130mpa/2h熱等靜壓處理，以去除鑄件內(nèi)部缺陷。

將熱等靜壓后的試棒進(jìn)行固溶+時效處理，熱處理工藝為1030℃/2h/ac+700/2h/ac，拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸和試樣拉伸試驗(yàn)方法按照gb/t228-2010進(jìn)行實(shí)施。試棒不同溫度拉伸性能見表2，其中σb為抗拉強(qiáng)度，σ0.2為屈服強(qiáng)度，δ為延伸率。

實(shí)施例2

本實(shí)施例是一種鑄造高溫鈦合金，包括86.3％的ti、5.89％的al、1.8％的sn、3.47％的zr、0.81％的mo、0.63％的nb、0.16％的si、0.48％的ta和0.06％的c，余量為雜質(zhì)，所述的百分比為質(zhì)量百分比。

本實(shí)施例試棒制備方法、熱等靜壓和熱處理工藝與實(shí)施例1中公開的相同，表2給出了不同溫度下試棒拉伸性能。

實(shí)施例3

本實(shí)施例是一種鑄造高溫鈦合金，包括86.1％的ti、5.7％的al、2.3％的sn、3.4％的zr、0.9％的mo、0.5％的nb、0.12％的si、0.7％的ta，余量為雜質(zhì)，所述的百分比為質(zhì)量百分比。使用冷坩堝懸浮熔煉爐澆注開裂杯試樣，將澆注好的裂紋試樣進(jìn)行滲透檢驗(yàn)分析，比較其產(chǎn)生的裂紋數(shù)量及尺寸，結(jié)果如表2所示，圖1給出了開裂杯著色后裂紋示意圖。

實(shí)施例4

本實(shí)施例是一種鑄造高溫鈦合金，包括86％的ti、5.81％的al、2.15％的sn、3.9％的zr、0.74％的mo、0.65％的nb、0.16％的si、0.3％的ta，余量為雜質(zhì)，所述的百分比為質(zhì)量百分比。使用冷坩堝懸浮熔煉爐澆注開裂杯試樣，將澆注好的裂紋試樣進(jìn)行滲透檢驗(yàn)分析，外表面沒有觀察到裂紋，內(nèi)表面裂紋數(shù)量及尺寸如表2所示，圖2為開裂杯著色后裂紋示意圖。

實(shí)施例5

本實(shí)施例是一種鑄造高溫鈦合金，包括86.2％的ti、5.9％的al、1.8％的sn、3.47％的zr、0.82％的mo、0.9％的nb、0.12％的si、0.48％的ta和0.04的c，余量為雜質(zhì)，所述的百分比為質(zhì)量百分比。使用冷坩堝懸浮熔煉爐澆注開裂杯試樣，將澆注好的裂紋試樣進(jìn)行滲透檢驗(yàn)分析，外表面沒有觀察到裂紋，內(nèi)表面裂紋數(shù)量及尺寸如表2所示，圖3為開裂杯著色后裂紋示意圖。

表2

從表中可以看出，隨著溫度的升高，試棒的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，且當(dāng)拉伸溫度由550℃增加到600℃時，其抗拉強(qiáng)度下降20～30mpa，實(shí)施例2相比實(shí)施例1由于添加少量的c元素，其室溫拉伸強(qiáng)度提高，但是塑性降低。本發(fā)明的鑄造高溫鈦合金由于降低sn元素含量，使得裂紋數(shù)量少，裂紋尺寸小，具有較小的開裂傾向。