一種含稀土的高溫鈦合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鈦合金領(lǐng)域，涉及一種高強(qiáng)、可焊、可鑄造的高溫鈦合金及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鈦合金具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)異性能，是廣泛應(yīng)用于航空 航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料。航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件對輕質(zhì)耐高溫材料的迫切需求，促進(jìn)了高 溫鈦合金的快速發(fā)展，具有工程應(yīng)用意義的航空發(fā)動機(jī)用鈦合金已從用于350°C以下的 Ti- 6A1 - 4V合金發(fā)展到可在600°C長期使用的高溫鈦合金，600°C高溫鈦合金代表了目前 航空發(fā)動機(jī)用高溫鈦合金的最高水平，典型的600°C高溫鈦合金包括Ti-5A1 -4Sn-3. 5Zr-0 ? 5Mo- 0? 7Nb- 0? 35Si- 0? 06C(英國IMI834)，Ti- 6A1 - 2. 7Sn- 4Zr- 0? 4Mo- 0? 45Si(美國 TillOO)、Ti-6. 5A1 -2. 5Sn-4Zr-0? 7Mo-INb-0? 15Si(俄羅斯BT18Y)以及Ti-5. 8A1 -4 Sn-4Zr-0. 4Nb-0. 4Mo-ITa-0. 4Si-0. 05C(中國Ti60)等，這些合金都是多元復(fù)合強(qiáng)化的近a 型鈦合金，而且主要用于鍛件生產(chǎn)，如頂1834合金主要用于航空發(fā)動機(jī)整體葉盤的鍛造。
[0003] 這些高溫鈦合金是以Ti-A1 -Sn-Zr-Mo-Si為基礎(chǔ)發(fā)展而來，通過進(jìn)一步添加 Nb、Ta等元素，提高高溫強(qiáng)度，同時匹配室溫塑性。頂1834、BT18Y、Ti60合金添加了Nb元 素，Ti60合金除了添加Nb，還添加了比較貴、熔點比較高的Ta元素。用于航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu) 件，對合金的熱穩(wěn)定性能的要求較高，這幾種600°C鈦合金對A1含量進(jìn)行了適當(dāng)控制，以避 免和減少Ti3Al相生成；對強(qiáng)0穩(wěn)定元素Mo的含量也做了控制，以減少高溫?zé)岜┞逗蟮乃?性降低。
[0004] 除了上述航空發(fā)動機(jī)用600°C高溫鈦合金，近年來又開發(fā)出多種含W的高溫鈦合 金，主要針對600°C以上溫度使用。如CN201210374505中，公布了一種打-41-511-21'-Mo-W-Nb-Si-C多元合金，W含量為 0? 5%?1. 5% ;CN201210335424. 4 中，公布了一種 Ti-A1 -Sn-Zr-Mo-W-Si-C多元合金，W含量為 0.7% ?1.5% ;CN201110289274.3 中， 公布了一種Ti-A1 -Sn-Zr-W-Nb-Si多元合金，W含量為0? 8%?2. 0% ;添加W元素 對提高合金的高溫強(qiáng)度非常有效。但由于W的熔點高、密度高，增大了元素添加和鑄錠成分 均勻性控制的難度，一旦出現(xiàn)W偏析，產(chǎn)生高熔點夾雜，有可能造成整個鑄錠的報廢。根據(jù) 我們的研宄分析，這些材料應(yīng)大多是針對高溫短時應(yīng)用而研發(fā)的，高溫短時應(yīng)用一般是指 用于航天結(jié)構(gòu)件，但目前尚未見到應(yīng)用的文獻(xiàn)報道。
[0005] 近年來也有添加稀土元素的高溫鈦合金，添加稀土元素的主要目的是通過稀土元 素吸收晶界的氧，改善高溫合金的熱穩(wěn)定性能；CN200710017887. 5中，公布了一種11-八1-Sn-Zr-W-Si-Y多元合金，稀土Y含量為0.05% ?0.5% ;CN200710179338.8 中，公布了 一種Ti-A1 -Sn(或Ga) -Zr(或Hf) -Mo-Nb-Si- (Nd/Y/Er)多元合金，稀土（Nd/Y/Er) 含量為 0? 6%?0? 85% ;CN201310287940. 9 中，公布了一種Ti-A1 -Zr-Mo-Nb-Nd多元 合金，稀土Nd含量為0.05%?0. 36%。
[0006] 隨著航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用對輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料的需求除了單純的性能要求，更注重工 藝性能，以滿足同一型號不同典型件制備與成形的需求。如一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零/部件需要 直接使用鑄件，而一些部件需使用鑄件/鍛件的焊接組合件，或者是鑄件/板材的焊接組合 件，因此要求材料有很好的鑄造性能，同時兼有很好的熱加工性能和焊接性能?，F(xiàn)有的高溫 鈦合金主要是針對鍛造產(chǎn)品而前開發(fā)的，一些材料在設(shè)計時未考慮焊接需求，在實際應(yīng)用 中比較困難。綜合考慮鑄造、鍛造和焊接需求，需要在Al、Sn、Zr、Mo、Nb、W、Ta、Si、稀土等 這些在高溫鈦合金中常用的元素中進(jìn)行優(yōu)先，包括合金系的優(yōu)選和含量范圍的優(yōu)選，以達(dá) 到預(yù)期要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)狀況而設(shè)計提供了一種含稀土的高溫鈦合金及其 制備方法，其目的在于提供一種適合于鑄造、鍛造及焊接的高溫鈦合金，該合金具有良好 的抗氧化性能、高的室溫和高溫抗拉強(qiáng)度，以及良好的高溫持久/蠕變性能，其高溫短時 (20h?30min)的使用溫度可達(dá)到650°C?750°C。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0009] 本發(fā)明技術(shù)方案提供了一種含稀土元素的高溫鈦合金，其特征在于：該合金的化 學(xué)成分及重量百分比為：Al:5. 2%?7. 2%，Sn:1. 0%?3. 0%，Zr:3. 0%?6. 0%，Mo: 1. 5%?4. 5%，Nb:1. 5%?4. 5%，Si:0? 05%?0? 55%，Sc或Y:0? 01%?0? 5%，余量為 Ti〇
[0010] 本發(fā)明技術(shù)方案還提供了該種含稀土元素的高溫鈦合金的制備方法，其特征在 于：該方法為以下兩種之一：
[0011] 第一種方法：用于鑄件制備，首先按該合金的化學(xué)成分及配比稱取原料，采用真空 自耗電弧熔煉1?2次，得到的鑄錠作為母合金錠用于鑄件澆鑄；
[0012] 第二種方法：用于鍛件和板材制備，首先按該合金的化學(xué)成分及配比稱取原料，采 用真空自耗電弧熔煉3次，得到的鑄錠在1150°C開還，在（a+f3)/f3轉(zhuǎn)變溫度之上20°c? 50°C的溫度區(qū)間進(jìn)行鐓拔鍛造細(xì)化0晶粒，在（a+e)/f3轉(zhuǎn)變溫度之下進(jìn)行成品棒材、鍛 件的鍛造或板材軋制。
[0013] 本發(fā)明所述的含稀土元素的高溫鈦合金屬于Ti-A1-Sn-Zr-Nb-Mo-Si-Sc(Y) 系，為高鋁當(dāng)量、高M(jìn)o、Nb含量、添加稀土元素的復(fù)合強(qiáng)化型高溫鈦合金。該合金適合制造 650°C以上航空、航天飛行器高溫應(yīng)用的蒙皮、艙段、骨架及蒙皮等結(jié)構(gòu)，有非常好的減重效 果。其中：
[0014] A1為非常有效的強(qiáng)化元素，A1含量在5. 2%?7. 2%范圍，對強(qiáng)化a相效果明顯， 同時允許少量生成Ti3Al相，進(jìn)一步提高強(qiáng)