本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，具體是涉及一種適合制造使用溫度為600℃的鈦合金結(jié)構(gòu)件的si含量大于1.0%、小于1.5%的高si含量高溫鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。高溫鈦合金是鈦合金的主要發(fā)展方向之一。它主要用做航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤和葉片機(jī)匣，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，提高推重比。此外，超聲、高超聲速巡航彈、可重復(fù)使用運(yùn)載器以及亞軌道重復(fù)使用跨大氣層飛行器對(duì)高溫鈦合金的用量需求越來(lái)越大。

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，高溫鈦合金的使用溫度要求逐步提高。已經(jīng)由20世紀(jì)50年代的400℃提高到目前的600℃。目前，國(guó)際上使用溫度達(dá)到600℃的高溫鈦合金主要有:美國(guó)的ti-1100，英國(guó)的imi834，俄羅斯的bt36等。這些鈦合金都是ti-al-si-zr-mo-sn體系，其中si含量均少于0.5%。目前，隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，特別是超音速飛行器的出現(xiàn)，對(duì)關(guān)鍵部件材料的耐高溫要求不斷提高。si的加入能提高鈦合金的高溫強(qiáng)度和蠕變性能，但si的含量超過(guò)其在α-ti中的固溶度時(shí)(0.4%)，采用傳統(tǒng)鑄造方法，會(huì)形成較多的硅化物，且硅化物在基體晶界上析出，導(dǎo)致合金塑性降低。

研究發(fā)現(xiàn)ti-si系合金的機(jī)械特性與si含量以及硅化物的形貌和分散有關(guān)系。粉末冶金技術(shù)相比傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，可制備晶粒細(xì)小，組織和性能更均勻的鈦合金。因此，若能采用粉末冶金技術(shù)來(lái)成形具有較高si含量的高溫鈦合金，通過(guò)成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，從而在基體中形成細(xì)小、彌散分布的硅化物，相比鑄造技術(shù)，可以提高其塑性，從而改善其綜合力學(xué)性能。至今，尚無(wú)采用粉末冶金技術(shù)制備高si含量高溫鈦合金的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在問(wèn)題和不足，通過(guò)合理組分配比及其粉末冶金工藝的優(yōu)化，提供一種si含量大于1.0%、小于1.5%的高si含量高溫鈦合金及其制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的高si含量高溫鈦合金，其特點(diǎn)是由以下質(zhì)量百分比的成分組成：al：5～8wt%，si：1.0～1.5wt%，zr：1.5～2wt%，mo：0.4～1.2wt%，sn：2～3wt%，余量為ti和不可避免的雜質(zhì)元素。

本發(fā)明所述的高si含量高溫鈦合金的制備方法，其特點(diǎn)是：包括制粉、成形固結(jié)、熱變形加工和熱處理，具體步驟如下：

步驟一：高品質(zhì)鈦合金粉末的制備

首先按以下元素及其質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配料：al：5～8wt%，si：1.0～1.5wt%，zr：1.5～2wt%，mo：0.4～1.2wt%，sn：2～3wt%，余量為ti；然后采用真空自耗電弧熔煉法制備出直徑為50～75mm的棒料，并利用制得的棒料，采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備出氧含量<0.1%的高品質(zhì)鈦合金粉末，粉末粒徑為50～300μm；

步驟二：熱等靜壓法燒結(jié)鈦合金粉末

采用熱等靜壓法將制備的高品質(zhì)鈦合金粉末進(jìn)行燒結(jié)，精確調(diào)控?zé)Y(jié)參數(shù)，熱等靜壓工藝條件如下：

燒結(jié)溫度ts：920℃≤ts≤相變溫度

升溫速率：10～30℃/min

燒結(jié)保溫時(shí)間：3～4小時(shí)

燒結(jié)壓力：120～140mpa；

步驟三：將燒結(jié)形成的鈦合金樣品進(jìn)行等溫鍛造

等溫鍛造的溫度為相變點(diǎn)以下30～50℃，總變形量為40～50%，鍛造后在750～800℃保溫2～3小時(shí)，再采用相同工藝進(jìn)行一次等溫鍛造；

步驟四：依據(jù)常規(guī)鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝制度進(jìn)行熱處理，制得高si含量高溫鈦合金。

進(jìn)一步地，上述步驟二中，燒結(jié)溫度ts的范圍為：920℃≤ts≤相變溫度-20℃。上述步驟三中，等溫鍛造的總變形量為50%。

本發(fā)明合金體系為ti-al-si-zr-mo-sn，si含量為1.0～1.5%。合金設(shè)計(jì)遵循以下原則：在合金化設(shè)計(jì)時(shí)需限制al和sn等α穩(wěn)定元素的含量在一定范圍內(nèi)。sn能夠顯著的提高合金的熱強(qiáng)性，作為高溫鈦合金的合金化元素，sn在提高合金高溫強(qiáng)度的同時(shí)不會(huì)影響鈦合金的室溫塑性。mo含量的增加能夠提高高溫鈦合金的工藝塑性，合金中硅化物的析出速度也會(huì)加快。為了最大限度地提高鈦合金的高溫性能，同時(shí)保證良好的熱穩(wěn)定性，采用多元復(fù)合強(qiáng)化的合金化方式，即在ti基體中加入較高含量的al，sn，zr，即得到較高的鋁當(dāng)量[al]eq，以抑制基體中硅化物的過(guò)量沉淀析出，防止惡化塑性和應(yīng)力腐蝕性能。同時(shí)，盡量減少對(duì)蠕變有害的β穩(wěn)定元素如mo等的含量，即保持較低的鉬當(dāng)量[mo]eq。對(duì)于在600℃下使用的鈦合金，為了實(shí)現(xiàn)最佳的力學(xué)性能匹配，應(yīng)遵循當(dāng)量準(zhǔn)則是：[al]eq控制在8.5～9%，[mo]eq控制在0.5%～1%。

針對(duì)此類高溫鈦合金，本發(fā)明將粉末冶金和等溫鍛造技術(shù)結(jié)合，發(fā)展出一種新的近凈成形工藝。相對(duì)于傳統(tǒng)的鑄鍛鈦合金制備工藝，該制備方法采用粉末冶金的工藝制備鈦合金，能夠節(jié)省大量貴重的原材料，降低制造成本。采用熱等靜壓法燒結(jié)高品質(zhì)鈦合金粉末，可得到致密度達(dá)到99.8%的粉末鈦合金。后續(xù)對(duì)燒結(jié)形成的鈦合金樣品進(jìn)行等溫鍛造，一方面可閉合粉末鈦合金內(nèi)部細(xì)孔，提高其致密度，另一方面可破碎熱等靜壓燒結(jié)形成的較粗大硅化物，并均勻分布在基體中。一次等溫鍛造后在再結(jié)晶溫度區(qū)間進(jìn)行保溫，可得到等軸晶，有助于粉末鈦合金獲得更好的性能。

本發(fā)明制備的高溫鈦合金在室溫和600℃均具備良好抗拉強(qiáng)度及延伸率，強(qiáng)度超過(guò)目前國(guó)內(nèi)外常用600℃高溫鈦合金如ti-1100，imi834，bt36等，能夠滿足航天器對(duì)高溫鈦合金的要求。在室溫，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1300mpa，延伸率達(dá)7%。在600℃條件下，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到780mpa，延伸率為20%。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1中熱等靜壓燒結(jié)后鈦合金掃描電鏡照片。

圖2為實(shí)施例1中等溫鍛造后粉末鈦合金掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述的高si含量高溫鈦合金，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：al：5～8wt%，si：1.0～1.5wt%，zr：1.5～2wt%，mo：0.4～1.2wt%，sn：2～3wt%，余量為ti和不可避免的雜質(zhì)元素。

下面通過(guò)具體的制備方法對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施例1：

按以下元素及其質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配料：al:6.5%，si:1.4%，zr:2%，mo:0.5%，sn:2%，余量為ti及不可避免的雜質(zhì)元素；然后采用真空自耗電弧熔煉法制備出棒料，并利用制得的棒料，采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備出氧含量<0.1%的高品質(zhì)鈦合金粉末；

采用熱等靜壓法將制備的高品質(zhì)鈦合金粉末進(jìn)行燒結(jié)，熱等靜壓工藝條件如下：

燒結(jié)溫度ts：ts=980℃

升溫速率：30℃/min

燒結(jié)保溫時(shí)間：4小時(shí)

燒結(jié)壓力：120mpa；

將燒結(jié)形成的鈦合金樣品進(jìn)行等溫鍛造，等溫鍛造的溫度為940℃，總變形量為50%，鍛造后在780℃保溫2小時(shí)，再采用相同工藝進(jìn)行一次等溫鍛造；

等溫鍛造后采用熱處理為：850℃×2h，爐冷+750℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷；獲得高si含量高溫鈦合金。

實(shí)施例2：

按以下元素及其質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配料：al:5%，si:1.1%，zr:2%，mo:1.0%，sn:2.5%，余量為ti及不可避免的雜質(zhì)元素；然后采用真空自耗電弧熔煉法制備出棒料，并利用制得的棒料，采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備出氧含量<0.1%的高品質(zhì)鈦合金粉末；

采用熱等靜壓法將制備的高品質(zhì)鈦合金粉末進(jìn)行燒結(jié)，熱等靜壓工藝條件如下：

燒結(jié)溫度ts：ts=960℃

升溫速率：30℃/min

燒結(jié)保溫時(shí)間：3.5小時(shí)

燒結(jié)壓力：140mpa；

將燒結(jié)形成的鈦合金樣品進(jìn)行等溫鍛造，等溫鍛造的溫度為930℃，總變形量為50%，鍛造后在800℃保溫2小時(shí)，再采用相同工藝進(jìn)行一次等溫鍛造；

等溫鍛造后采用熱處理為：940℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷；獲得高si含量高溫鈦合金。

實(shí)施例3：

按以下元素及其質(zhì)量百分比用量進(jìn)行配料：al:7%，si:1.2%，zr:2%，mo:1.0%，sn:2%，余量為ti及不可避免的雜質(zhì)元素；然后采用真空自耗電弧熔煉法制備出棒料，并利用制得的棒料，采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備出氧含量<0.1%的高品質(zhì)鈦合金粉末；

采用熱等靜壓法將制備的高品質(zhì)鈦合金粉末進(jìn)行燒結(jié)，熱等靜壓工藝條件如下：

燒結(jié)溫度ts：ts=960℃

升溫速率：20℃/min

燒結(jié)保溫時(shí)間：4小時(shí)

燒結(jié)壓力：120mpa；

將燒結(jié)形成的鈦合金樣品進(jìn)行等溫鍛造，等溫鍛造的溫度為940℃，總變形量為50%，鍛造后在760℃保溫3小時(shí)，再采用相同工藝進(jìn)行一次等溫鍛造；

等溫鍛造后采用熱處理為：910℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷；獲得高si含量高溫鈦合金。

實(shí)施例1～3獲得的高溫鈦合金材料的室溫和600℃高溫拉伸力學(xué)性能見(jiàn)下表所示：

本發(fā)明是通過(guò)實(shí)施例來(lái)描述的，但并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制，參照本發(fā)明的描述，所公開(kāi)的實(shí)施例的其他變化，如對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人士是容易想到的，這樣的變化應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求限定的范圍之內(nèi)。