專利名稱:一種高溫鈦合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及ー種合金及其制備方法。
背景技術(shù):
鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,尤其是航空航天領(lǐng)域。與鎳基高溫合金相比,高溫鈦合金鑄件的應(yīng)用可大幅度降低飛行器自重,顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和動(dòng)カ性能,提高飛行器的飛行距離、飛行速度和突防性能。隨著現(xiàn)代航天工業(yè)的迅速發(fā)展,特別是近年來高馬赫數(shù)飛行器、衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和軍用飛機(jī)等對(duì)關(guān)鍵部件材料的耐高溫要求不斷提高,尤其是超高音速飛行過程中產(chǎn)生的殼體熱障效應(yīng),導(dǎo)致表面溫度要求短時(shí)達(dá)到700°C,即要求高溫材料在700°C的高溫下能夠正常工作O. 5 2h。
現(xiàn)有高溫鈦合金主要有英國頂1834、美國Ti-1100、俄羅斯BT36以及中國Ti60和Ti600,這些高溫鈦合金都是在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si的基礎(chǔ)上發(fā)展來的,其正常工作溫度最高只能達(dá)到600°C ;當(dāng)工作溫度高于600°C時(shí),高溫抗拉強(qiáng)度會(huì)因合金熱穩(wěn)定性降低而隨著溫度的升高急劇下降;當(dāng)工作溫度達(dá)到700°C時(shí),上述高溫鈦合金的抗拉強(qiáng)度僅為300MPa左右,難以滿足使用需求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法制備的高溫鈦合金在700°C的短時(shí)高溫工作條件下抗拉強(qiáng)度以及延伸率差的問題,而提供ー種高溫鈦合金及其制備方法。本發(fā)明的ー種高溫鈦合金按質(zhì)量百分比由Al 5. 5°/Γ7%、Sn :2°/Γ4%、Zr :8°/Γ 1%、Mo 0. 4% 1· 2%、Nb 0. 4% 1· 5%、W :0· 5% 1· 5%、Si :0· 15% 0· 3% 和余量的 Ti 制成。上述高溫鈦合金的制備方法是按以下步驟進(jìn)行一、按高溫鈦合金中各元素質(zhì)量百分比為Al 5. 59T7%、Sn :2°/T4%、Zr :8°/Γ 1%、Μο O. 4% 1· 2%、Nb 0. 4% 1· 5%、W :0· 5% 1· 5%、Si :0· 15% 0· 3% 和余量的 Ti,分別稱取純鋁錠、鋁硅中間合金、海綿鋯、鋁鑰中間合金、鋁鈮中間合金、鋁鎢中間合金、純錫錠和海綿鈦;其中,將海綿鈦按質(zhì)量平均分成五等份,分別為海綿鈦ー組、海綿鈦ニ組、海綿鈦三組、海綿鈦四組和海綿鈦五組;ニ、在水冷銅坩堝真空感應(yīng)爐中,按順序逐層依次加入步驟一得稱取的海綿鈦ー組、鋁硅中間合金、海綿鈦ニ組、鋁鑰中間合金、海綿鈦三組、海綿鋯、海綿鈦四組、鋁鎢中間合金、鋁鈮中間合金、海綿鈦五組、純鋁錠和純錫錠;在熔煉功率為30(T340kW的真空條件下進(jìn)行熔煉,熔煉后保溫iT20min,得到合金熔液;三、在真空條件下,將步驟一得到的合金熔液澆注到預(yù)熱溫度為20(T50(TC的圓柱形鋼制模具內(nèi),冷卻后,得到合金鑄錠;四、采用線切割的方法除去步驟三得到的合金鑄錠的不平表層,切割成圓柱形,得到圓柱形合金鑄錠;
五、在步驟四得到的圓柱形合金鑄錠的表面噴涂厚度為O. 3^1mm的防氧化涂層,得到帶涂層合金鑄錠;六、將步驟五得到的帶涂層合金鑄錠進(jìn)行開坯鍛造,得到合金鍛坯;其中,開坯鍛造的具體操作步驟為①將步驟五得到的涂層合金鑄錠預(yù)熱至溫度為1000 1200で,并在該溫度條件下保持2(T50min ;②將經(jīng)步驟①處理的涂層合金鑄錠置入開坯鍛造模具中,在變形速率為O. OlS-1的條件下進(jìn)行開坯鍛造,使開坯鍛造后的帶涂層合金鑄錠的總變形量為50% 70% ,③在溫度為50(T750°C的條件下進(jìn)行退火,退火時(shí)間為2 8h ;七、將步驟六得到的合金鍛坯采用線切割的方法去除其兩端的不平鍛面;ノV、在經(jīng)步驟七處理的合金鍛坯的表面噴涂厚度為O. 3^1mm的防氧化涂層;
九、將經(jīng)步驟八處理的合金鍛坯進(jìn)行軋制,軋后空冷,得到高溫鈦合金;其中,軋制條件如下軋制溫度為100(Tll5(TC、道次變形量為15°/Γ40%、道次間回火保溫時(shí)間為8 20min、總變形量40 60%。本發(fā)明通過控制高溫鈦合金中的各成分配比,在600 °C高溫鈦合金Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si成分的基礎(chǔ)上,提高Zr的含量,添加高熔點(diǎn)的W元素和Nb元素,并調(diào)節(jié)其他合金元素的含量,制備得到高溫鈦合金。本發(fā)明制備的高溫鈦合金在700°C時(shí)的短時(shí)高溫工作條件和室溫條件下均具備良好抗拉強(qiáng)度以及延伸率,能夠滿足新型航天器對(duì)短時(shí)高溫材料的要求。在700°C的條件下,其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到585. 4MPa,延伸率為32. 4% ;而現(xiàn)有技術(shù)中高溫鈦合金在700°C的條件下,抗拉強(qiáng)度僅為300MPa左右;在室溫條件下,其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1200. 3MPa,延伸率為9. 8%,易于加工。本發(fā)明適用于高溫鈦合金材料的生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實(shí)施方式
,還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的ー種高溫鈦合金按質(zhì)量百分比由Al :5. 5°/Γ7%、Sn :2% 4%、Zr :8% 11%、Mo 0. 4% I. 2%、Nb 0. 4% I. 5%、W 0. 5% I. 5%、Si 0. 15% O. 3% 和余量的Ti制成。
具體實(shí)施方式
ニ 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是ー種高溫鈦合金按質(zhì)量百分比由 Al :6%、Sn 3%,Zr :10%、Mo :l%、Nb :1%、W :l%、Si :0. 25% 和 Ti :77. 75% 制成。其
它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式的ー種高溫鈦合金的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、按高溫鈦合金中各元素質(zhì)量百分比為Al 5. 59T7%、Sn :2°/T4%、Zr :8°/Tll%、Mo O. 4% 1· 2%、Nb 0. 4% 1· 5%、W :0· 5% 1· 5%、Si :0· 15% 0· 3% 和余量的 Ti,分別稱取純鋁錠、鋁硅中間合金、海綿鋯、鋁鑰中間合金、鋁鈮中間合金、鋁鎢中間合金、純錫錠和海綿鈦;其中,將海綿鈦按質(zhì)量平均分成五等份,分別為海綿鈦ー組、海綿鈦ニ組、海綿鈦三組、海綿鈦四組和海綿鈦五組;ニ、在水冷銅坩堝真空感應(yīng)爐中,按順序逐層依次加入步驟一得稱取的海綿鈦ー組、鋁硅中間合金、海綿鈦ニ組、鋁鑰中間合金、海綿鈦三組、海綿鋯、海綿鈦四組、鋁鎢中間合金、鋁鈮中間合金、海綿鈦五組、純鋁錠和純錫錠;在熔煉功率為30(T340kW的真空條件下進(jìn)行熔煉,熔煉后保溫iT20min,得到合金熔液;三、在真空條件下,將步驟一得到的合金熔液澆注到預(yù)熱溫度為20(T50(TC的圓柱形鋼制模具內(nèi),冷卻后,得到合金鑄錠;四、采用線切割的方法除去步驟三得到的合金鑄錠的不平表層,切割成圓柱形,得到圓柱形合金鑄錠;五、在步驟四得到的圓柱形合金鑄錠的表面噴涂厚度為O. 3^1mm的防氧化涂層,得到帶涂層合金鑄錠;六、將步驟五得到的帶涂層合金鑄錠進(jìn)行開坯鍛造,得到合金鍛坯;其中,開坯鍛造的具體操作步驟為①將步驟五得到的涂層合金鑄錠預(yù)熱至溫度為1000 1200で,并在 該溫度條件下保持2(T50min ;②將經(jīng)步驟①處理的涂層合金鑄錠置入開坯鍛造模具中,在變形速率為O. OlS-1的條件下進(jìn)行開坯鍛造,使開坯鍛造后的帶涂層合金鑄錠的總變形量為50% 70% ,③在溫度為50(T750°C的條件下進(jìn)行退火,退火時(shí)間為2 8h ;七、將步驟六得到的合金鍛坯采用線切割的方法去除其兩端的不平鍛面;ノV、在經(jīng)步驟七處理的合金鍛坯的表面噴涂厚度為O. 3^1mm的防氧化涂層;九、將經(jīng)步驟八處理的合金鍛坯進(jìn)行軋制,軋后空冷,得到高溫鈦合金;其中,軋制條件如下軋制溫度為100(Tll5(TC、道次變形量為15°/Γ40%、道次間回火保溫時(shí)間為8 20min、總變形量40 60%。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三不同的是步驟ニ中在熔煉功率為320kW的真空條件下進(jìn)行熔煉。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
三相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三或四不同的是步驟ニ中熔煉后保溫lOmin。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
三或四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三至五之一不同的是步驟五和步驟八所述的防氧化涂層為鈦合金鍛造エ藝用玻璃防護(hù)潤滑劑。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
三至五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三至六之一不同的是步驟六的①步驟中涂層合金鑄錠預(yù)熱至溫度為1050°C,并在該溫度條件下保持40min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
三至六相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三至七之一不同的是步驟六的②步驟中開坯鍛造后的涂層合金鑄錠的總變形量為60%。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
三至七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三至八之一不同的是其特征在于步驟六的③步驟中在溫度為700°C的條件下進(jìn)行退火,退火時(shí)間為4h。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
三至八相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三至九之一不同的是其特征在于步驟九中軋制溫度為1050°C、道次變形量為20%、道次間回火保溫時(shí)間為lOmin、總變形量50%。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
三至九相同。通過以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果試驗(yàn)ー本發(fā)明的ー種高溫鈦合金及其制備方法,是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、按高溫鈦合金中各元素質(zhì)量百分比為Al :6%、Sn :3%、Zr :10%、Mo :1%、Nb :1%、W 1%> Si 0. 25%、Ti 77. 75%,分別稱取純鋁錠、鋁硅中間合金、海綿鋯、鋁鑰中間合金、鋁鈮中間合金、鋁鎢中間合金、純錫錠和海綿鈦;其中,將海綿鈦按質(zhì)量平均分成五等份,分別為海綿鈦ー組、海綿鈦ニ組、海綿鈦三組、海綿鈦四組和海綿鈦五組;ニ、在水冷銅坩堝真空感應(yīng)爐中,按順序逐層依次加入步驟一得稱取的海綿鈦ー組、鋁硅中間合金、海綿鈦ニ組、鋁鑰中間合金、海綿鈦三組、海綿鋯、海綿鈦四組、鋁鎢中間合金、鋁鈮中間合金、海綿鈦五組、純鋁錠和純錫錠;在熔煉功率為320kW的真空條件下進(jìn)行熔煉,熔煉后保溫lOmin,得到合金熔液;三、在真空條件下,將步驟一得到的合金熔液澆注到預(yù)熱溫度為300°C的圓柱形鋼制模具內(nèi),冷卻后,得到合金鑄錠;四、采用線切割的方法除去步驟三得到的合金鑄錠的不平表層,切割成圓柱形,得到圓柱形合金鑄錠;五、在步驟四得到的圓柱形合金鑄錠的表面噴涂厚度為O. 5mm的鈦合金鍛造エ藝 用玻璃防護(hù)潤滑劑,得到帶涂層合金鑄錠;六、將步驟五得到的帶涂層合金鑄錠進(jìn)行開坯鍛造,得到合金鍛坯;其中,開坯鍛造的具體操作步驟為①將步驟五得到的涂層合金鑄錠預(yù)熱至溫度為1050°C,并在該溫度條件下保持40min ;②將經(jīng)步驟①處理的涂層合金鑄錠置入開坯鍛造模具中,在變形速率為O. OlS-1的條件下進(jìn)行開坯鍛造,使開坯鍛造后的帶涂層合金鑄錠的總變形量為60%
在溫度為700°C的條件下進(jìn)行退火,退火時(shí)間為4h ;七、將步驟六得到的合金鍛坯采用線切割的方法去除其兩端的不平鍛面;ノV、在經(jīng)步驟七處理的合金鍛坯的表面噴涂厚度為O. 5mm的鈦合金鍛造エ藝用玻璃防護(hù)潤滑劑;九、將經(jīng)步驟八處理的合金鍛坯進(jìn)行軋制,軋后空冷,得到高溫鈦合金;其中,軋制條件如下軋制溫度為1050°C、道次變形量為20%、道次間回火保溫時(shí)間為lOmin、總變形量50%。對(duì)試驗(yàn)一得到的高溫鈦合金進(jìn)行抗拉強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)試,測(cè)試其在700°C的條件以及室溫條件下的鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度、鍛態(tài)抗拉強(qiáng)度、軋態(tài)抗拉強(qiáng)度以及延伸率,測(cè)試結(jié)果如表I所示,從表中可以看出將試驗(yàn)一得到的短時(shí)高溫鈦合金在700V的條件以及室溫條件下均具備良好抗拉強(qiáng)度以及延伸率。表I
700 O 室溫 狀態(tài) _ _
ah/MPaao.2/MPad 0ah/MPaσο 2/MPaο0鑄態(tài) 492.5435.810.51026.2 862.35 鍛態(tài) 548.8485.6 31138.5 953.87.3 乳態(tài) 585.452532.41200.3 982.79.8
權(quán)利要求
1.一種高溫鈦合金,其特征在于高溫鈦合金按質(zhì)量百分比由Al :5. 5°/Γ7%、Sn :2°/Γ4%、Zr :8% 11%、Mo 0. 4% I. 2%、Nb 0. 4% I. 5%、W 0. 5% I. 5%、Si 0. 15% O. 3% 和余量的 Ti 制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高溫鈦合金,其特征在于高溫鈦合金按質(zhì)量百分比由Al :6%、Sn :3%、Zr :10%、Mo :1%、Nb :1%、W :1%、Si 0. 25% 和 Ti -Jl. 75% 制成。
3.如權(quán)利要求I所述的一種高溫鈦合金的制備方法,其特征在于高溫鈦合金的制備方法按以下步驟進(jìn)行 一、按高溫鈦合金中各元素質(zhì)量百分比為Al:5. 5% 7%、Sn :2% 4%、Zr :8% 11%、Mo O.4% 1· 2%、Nb 0. 4% 1· 5%、W 0. 5% 1· 5%、Si 0. 15% 0· 3% 和余量的 Ti,分別稱取純鋁錠、鋁硅中間合金、海綿鋯、鋁鑰中間合金、鋁鈮中間合金、鋁鎢中間合金、純錫錠和海綿鈦;其中,將海綿鈦按質(zhì)量平均分成五等份,分別為海綿鈦一組、海綿鈦二組、海綿鈦三組、海綿鈦四組和海綿鈦五組; 二、在水冷銅坩堝真空感應(yīng)爐中,按順序逐層依次加入步驟一得稱取的海綿鈦一組、鋁硅中間合金、海綿鈦二組、鋁鑰中間合金、海綿鈦三組、海綿鋯、海綿鈦四組、鋁鎢中間合金、鋁鈮中間合金、海綿鈦五組、純鋁錠和純錫錠;在熔煉功率為30(T340kW的真空條件下進(jìn)行熔煉,熔煉后保溫9 20min,得到合金熔液; 三、在真空條件下,將步驟一得到的合金熔液澆注到預(yù)熱溫度為20(T500°C的圓柱形鋼制模具內(nèi),冷卻后,得到合金鑄錠; 四、采用線切割的方法除去步驟三得到的合金鑄錠的不平表層,切割成圓柱形,得到圓柱形合金鑄錠; 五、在步驟四得到的圓柱形合金鑄錠的表面噴涂厚度為O.3^1mm的防氧化涂層,得到帶涂層合金鑄錠; 六、將步驟五得到的帶涂層合金鑄錠進(jìn)行開坯鍛造,得到合金鍛坯;其中,開坯鍛造的具體操作步驟為①將步驟五得到的涂層合金鑄錠預(yù)熱至溫度為ioo(Ti2(Krc,并在該溫度條件下保持2(T50min ;②將經(jīng)步驟①處理的涂層合金鑄錠置入開坯鍛造模具中,在變形速率為O. OlS-1的條件下進(jìn)行開坯鍛造,使開坯鍛造后的帶涂層合金鑄錠的總變形量為50% 70% ;③在溫度為50(T750°C的條件下進(jìn)行退火,退火時(shí)間為2 8h ; 七、將步驟六得到的合金鍛坯采用線切割的方法去除其兩端的不平鍛面; 八、在經(jīng)步驟七處理的合金鍛坯的表面噴涂厚度為O.3^1mm的防氧化涂層; 九、將經(jīng)步驟八處理的合金鍛坯進(jìn)行軋制,軋后空冷,得到高溫鈦合金;其中,軋制條件如下軋制溫度為100(Tll5(TC、道次變形量為15% 40%、道次間回火保溫時(shí)間為8 20min、總變形量40 60%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高溫鈦合金的制備方法,其特征在于步驟二中在熔煉功率為320kW的真空條件下進(jìn)行熔煉。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高溫鈦合金的制備方法,其特征在于步驟二中熔煉后保溫 IOmin。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高溫鈦合金的制備方法,其特征在于步驟五和步驟八所 述的防氧化涂層為鈦合金鍛造工藝用玻璃防護(hù)潤滑劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高溫鈦合金的制備方法,其特征在于步驟六的①步驟中涂層合金鑄錠預(yù)熱至溫度為1050°C,并在該溫度條件下保持40min。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高溫鈦合金的制備方法,其特征在于步驟六的②步驟中開坯鍛造后的涂層合金鑄錠的總變形量為60%。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高溫鈦合金的制備方法,其特征在于步驟六的③步驟中在溫度為700°C的條件下進(jìn)行退火,退火時(shí)間為4h。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高溫鈦合金的制備方法,其特征在于步驟九中軋制溫度為1050°C、道次變形量為20%、道次間回火保溫時(shí)間為lOmin、總變形量50%。
全文摘要
一種高溫鈦合金及其制備方法,它涉及一種合金及其制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法制備的高溫鈦合金在700℃的短時(shí)高溫工作條件下抗拉強(qiáng)度及延伸率差的問題。本發(fā)明的高溫鈦合金按質(zhì)量百分比由Al5.5%~7%、Sn2%~4%、Zr8%~11%、Mo0.4%~1.2%、Nb0.4%~1.5%、W0.5%~1.5%、Si0.15%~0.3%和余量的Ti制成。制備方法配料、熔煉、鑄造、開坯鍛造、軋制、空冷,得到高溫鈦合金。本發(fā)明制備的高溫鈦合金在700℃條件下抗拉強(qiáng)度為585.4MPa,延伸率為32.4%。本發(fā)明適用于高溫鈦合金的生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C22F1/18GK102839297SQ20121037450
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者陳玉勇, 孔凡濤, 張樹志, 趙而團(tuán), 張長江 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)