专利名称：一种高蠕变抗力和高疲劳强度的高温钛合金的制作方法
技术领域：
本发明是一种用于航空发动机压气机的关键转动部件的高蠕变抗力和高疲劳强度的高温钛合金，该种材料可以在600℃下长期使用，并具有高蠕变抗力和高疲劳强度。属于金属材料技术领域。
背景技术：
钛合金以其优越的高比强度、耐腐蚀等特点，在航空发动机和飞机上得到了越来越广泛的应用。随着航空发动机推重比或功重比的提高，对发动机用钛合金性能的要求也在不断提高。
从20世纪50年代开始，钛合金走过了快速发展的道路，钛合金地使用温度以Ti-6Al-4V为代表的400℃提高到了以IMI834为代表的600℃。英国发展的典型高温钛合金有IMI679(最高使用温度450℃)、IMI685(520℃)、IMI829(540℃)、IMI834(600℃)；美国的高温钛合金有Ti-6242S(540℃)、Ti-1100(600℃)；俄罗斯的高温钛合金有BT3-1(450℃)、BT8(500℃)、BT9(500℃)、BT25(550℃)、BT25y(550℃)、BT18y(600℃)、BT36(600℃)；中国早期的高温钛合金主要走的是仿制的道路，20世纪80年代以后开始自行研制，典型的高温钛合金有TC4(400℃)、TC11(500℃)、TA12(550℃)。
目前，各国投入使用和正在研制的高温钛合金大多为近α型合金。近α型钛合金具有良好的高温性能、组织稳定性和焊接性能，适合于在高温环境下使用。世界上能在600℃长期使用的高温钛合金有英国的IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C)、美国的Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)、俄罗斯的BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-5.0W-0.15Si)，它们都是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系的基础上发展的，但化学成分又各具特色。IMI834合金加入了2个β稳定化元素Mo和Nb，以及0.06％C；Ti-1100合金的Mo含量较低，Si相对较高，对杂质元素Fe和0含量要求甚严；BT36合金含有5％高熔点元素W以及微量的稀土元素Y。
我国发展高温钛合金非常重视稀土元素的作用，如我国专利87105074“一种耐热钛合金”，其特征在于采用稀土元素钕(Nd)使钛合金强化并改善钛合金表面的抗氧化性。合金的成分范围及重量百分比为Al 2.5～7％、Sn 2～11％、Zr 0.5～5％、Mo 0.2～2％、Si 0.08～0.5％、Nd 0.2～2.5％、Ti余量。其最佳成分范围为Al 5.5～6.5％、Sn 3～6％、Zr 1～3％、Mo 0.5～1.5％、Si 0.1～0.3％、Nd 0.5～1.5％、Ti余量。该专利的合金在550℃具有良好的抗拉强度、抗蠕变强度和热稳定性等综合性能。
针对我国先进航空发动机的需求背景，提出需要一种能在600℃下长期使用的钛合金。目前国内已掌握的高温钛合金不能满足使用性能的要求。
发明内容
本发明的目的是研制新型的具有高蠕变抗力和高疲劳强度的高温钛合金，并能在600℃长期使用。
本发明技术方案首先要解决的技术问题是新合金成分的设计问题，在设计该新合金时，需要充分考虑其使用部件对材料力学性能及长期使用可靠性方面的要求。与国内外相近合金相比，其特征在于添加了合金元素Ta改善了合金的蠕变抗力和疲劳强度。设计的新合金通过β稳定元素的种类及含量的优化来实现综合性能的提高。该合金的化学成分及重量百分比为Al 3.0～7.0，Sn 1.0～6.0，Zr 1.0～6.0，Nb 0.1～2.5，Ta 0.2～4.0，Mo 0.0～3.0，Si 0.05～0.7，C 0.0～0.1，余量为Ti。本发明所涉及的合金成分与国内外其他相近钛合金的不同点在于①本合金采用的是Ti-Al-Sn-Zr-Nb-Ta-Si-C合金化系，以Ta、Nb和Mo为主要的β稳定化元素；②Sn和Zr这两个中性元素的含量的组合不同于以往其他任何钛合金；③Ta和Nb元素的组合稳定β相是高温钛合金发展的一大创新。
图1为实施例二中TG6-2合金盘件的室温疲劳裂纹扩展速率
具体实施例方式
实例1
该合金的化学成分及重量百分比为5.80％Al、4.0％Sn、3.46％Zr、0.68％Nb、1.86％Ta、0.39％Si、0.068％C、0.03％Fe、0.066％0、0.008％N，余量为Ti。
原材料采用0级海绵钛、纯Al屑、纯Sn、海绵锆、Ta粉、Al-Nb中间合金、Al-Si中间合金、C粉，按合金名义化学成分配比后压制成电极，熔炼之前将每段电极焊接成一整体电极，整体电极重54kg。在真空自耗电弧炉上进行了VAR熔炼，制成直径为220mm的50kg铸锭一个，暂命名为TG6-1。
铸锭的开坯在1250吨液压机上分两火进行。在精锻机上和轧机上制成直径为18.5mm的棒材并经①β区固溶+时效，②近β区固溶+时效，③α+β区固溶+时效热处理。其各项性能见表一～表四所示。
表1 TG6-1合金棒材的室温拉伸性能
表2 TG6-1合金棒材的600℃拉伸性能
表3 TG6-1合金棒材经600℃/100h试样热暴露后的室温拉伸性能(试样热稳定性)
表4 TG6-1合金棒材600℃蠕变性能(600℃/150MPa/100h)
实例2
该合金的化学成分及重量百分比为5.40％Al、4.06％Sn、3.96％Zr、0.68％Nb、1.41％Ta、0.37％Si、0.056％C，余量为Ti。
原材料采用0级海绵钛、纯Al屑、纯Sn、海绵锆、Ta粉、Al-Nb中间合金、Al-Si中间合金、C粉，按合金名义化学成分配比后压制成电极，配料重256kg。在650kg真空自耗电弧炉上进行了三次VAR熔炼，制成直径为350mm的256kg铸锭一个，暂命名为TG6-2。
铸锭的开坯在1250吨液压机上分两火进行。在水压机上采用低高低交替锻造工艺制造XX发动机第七级盘件用饼环坯，在10吨锻锤上采用XX发动机第七级盘件模具一次β锻制成盘件，盘件外径Φ460mm，内径Φ155mm，轮缘最大厚度52mm，轮辐最大厚度34mm。其各项性能见表五～表十所示。
表5 TG6-2合金盘件的室温拉伸性能
表6 TG6-2合金盘件的热稳定性(热暴露后的室温拉伸性能)
表7 TG6-2合金盘件的蠕变性能
表8 TG6-2合金盘件的持久性能
表9 TG6-2合金盘件的高周疲劳疲劳性能
表10 TG6-2合金盘件的室温断裂韧性
本发明提供的高温钛合金能具有优良综合性能的，该合金在600℃长期使用的具有优良综合性能的高温钛合金，该高温钛合金在600℃具有良好的蠕变抗力，同时还具有优异的疲劳强度和断裂韧性，以及较低疲劳裂纹扩展速率，其优良的综合性能为我国先进航空发动机压气机部位600℃左右工作的零件(如高压压气机叶片、轮盘和鼓筒)提供了理想的候选材料。
该合金具有与英国IMI834、美国Ti-1100等合金相当的拉伸强度、拉伸塑性、热稳定性、蠕变抗力，但具有更高的疲劳强度、更高的断裂韧性(盘件的K1C比IMI834高约
)和较低的疲劳裂纹扩展速率。
权利要求
1.一种高蠕变抗力和高疲劳强度的高温钛合金，其特征在于该合金的化学成分及重量百分比为Al 3.0～7.0，Sn 1.0～6.0，Zr 1.0～6.0，Nb 0.1～2.5，Ta 0.2～4.0，Mo 0.0～3.0，Si 0.05～0.7，C 0.0～0.1，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的高蠕变抗力和高疲劳强度的高温钛合金，其特征在于该合金的化学成分及重量百分比为Al 5.2～6.0，Sn3.5～4.5，Zr 3.0～4.0，Nb 0.3～1.0，Ta 0.5～2.5，Si 0.2～0.5，C 0.03～0.08，余量为Ti。
全文摘要
本发明是一种用于发动机压气机的关键转动部件的高蠕变抗力和高疲劳强度的高温钛合金，该合金的化学成分及重量百分比为Al3.0～7.0，Sn 1.0～6.0，Zr 1.0～6.0，Nb 0.1～2.5，Ta 0.2～4.0，Mo 0.0～3.0，Si 0.05～0.7，C 0.0～0.1，余量为Ti。该高温钛合金在600℃具有良好的蠕变抗力，同时还具有优异的疲劳强度和断裂韧性，以及较低疲劳裂纹扩展速率，其优良的综合性能为我国先进航空发动机压气机部位600℃左右工作的零件(如高压压气机叶片、轮盘和鼓筒)提供了理想的候选材料。
文档编号C22C14/00GK1772932SQ20051006811
公开日2006年5月17日 申请日期2005年4月27日 优先权日2005年4月27日
发明者蔡建明, 李臻熙, 黄旭, 李四清, 郝孟一, 曹春晓 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院