一种综合性能优异的高温钛合金棒材及其制备工艺的制作方法

文档序号:10680283阅读:569来源:国知局
一种综合性能优异的高温钛合金棒材及其制备工艺的制作方法
【专利摘要】一种综合性能优异的高温钛合金棒材及其制备工艺,属于钛基合金技术领域。该合金成分的重量百分比组成:Al:5.4?5.6%,Sn:3.0?3.3%,Zr:5.3?5.5%,Mo:0.5?0.6%,Nb:0.8?1%,Si:0.4?0.5%,Ta:0.9?1.0%,Er:0.1?0.3%,余量为Ti和不可避免杂质。采用锻造工艺制备合金棒材,锻造的开坯温度在1100℃~1150℃,最终精锻温度分别在970℃~1000℃和1000℃~1050℃。本发明提供了一种室温、高温综合性能优异的新型高温钛合金,展现出优异的服役性能并进一步提高了高温钛合金的使用温度,在工程领域具有广阔的应用前景。
【专利说明】
-种综合性能优异的高溫铁合金棒材及其制备工艺
技术领域
[0001] 本发明属于铁基合金技术领域,具体设及到一种有潜力应用到航空发动机上并且 可在65(TC使用的铁基合金。其特点在于室溫、高溫综合性能优异,特别是室溫初性和高溫 强度尤为突出。
【背景技术】
[0002] 高溫铁合金具有优异的热强性、低的密度和良好的耐蚀性,在航空航天领域多用 来制造航空发动机的压气盘、机厘等。高溫铁合金的使用溫度从最初的400°C发展到600°C, 国外600°C高溫铁合金如英国的IMI834、美国的Ti-1100、已用于航空发动机上,显著地提高 了发动机的性能,俄罗斯的BT36处在应用研究阶段。我国研制的600°C高溫铁合金Ti60和 Ti600在强度上也已达到国际先进水平。目前,进一步提高高溫铁合金的使用溫度,并使其 强初性得到良好匹配成为研究的重点。下表为国内外典型600°C高溫铁合金名义成分。
[0004] 高溫铁合金主要是Ti-A^Sn-Zr-Mo-Si系近a铁合金。运类合金具有较好的高溫抗 蠕变能力,良好的热稳定性。其热强性是建立在a固溶强化基础上,是最适合用于500°CW上 长时间工作的合金。同时,运类合金中还经常加入少量的e稳定元素,是为了减缓a相的形 成,从而允许在不出现脆化的情况下,提高合金的侣当量。同时,加入少量的e稳定元素还可 W改善工艺塑性。
[0005] 高溫铁合金的研制过程中所面对的主要研究目标为:通过合金化设计、热加工及 热处理使合金达到所要求的热强性和热稳定性,但是两者却是相互矛盾的,在600-650°CW 上溫度,两者的矛盾则更加突出。从目前来看,高溫铁合金热强性基本达标,但是热稳定性 在一般情况下不能很好满足要求,表现为铁合金在高溫环境的使用过程中性能明显降低, 其原因在于:第一,追求强度而采取的高合金化,使合金长时间工作后脆性相析出机率增 大,导致组织不稳定;第二,高溫下氧的渗入,在合金表面形成一个富氧层,导致了合金表面 的不稳定。因此,高溫铁合金的重要发展趋势是采用合理的合金化手段,优化现有合金成 分,提高组织均匀性,w及通过优化热加工工艺来实现组织的精确控制等,提高高溫铁合金 的热稳定性,获得综合性能优异的高溫铁合金。

【发明内容】

[0006] 本发明目的是通过添加新的合金元素,优化合金成分,设计研制出一种可在650°C 下工作的具有较高的热强性和较好的热稳定性的高溫铁合金,并制备出综合性能优异的合 金棒材。
[0007] 一种高溫铁合金,该合金包括Ti , A1, Sn,Zr,Mo和Si,其特征在于:该合金中还同时 含有Nb,TaJrS种元素,合金中各成分及其重量百分比为:Al:5.4-5.6%,Sn:3.0-3.3%, 化:5.3-5.5%,Mo:0.5-0.6%,Nb:0.8-1 %,Si :0.4-0.5%,Ta:0.9-1.0%,Er:0.1-0.3%, 余量为Ti。
[000引本发明所研制出的650°C高溫铁合金,包括Ti,A1,Sn,Zr,Mo,Nb,Si,化,化九种元 素,合金中添加 e相稳定元素化,同时还加入了稀±元素化。该合金元素组成特点上与已有 的高溫铁合金的成分的差别在于,已有的高溫铁合金的元素组成上并未出现过同时加入= 种e相稳定元素和一种稀上元素,本发明中加入了 Mo、Nb、TaS种0相稳定元素并且还加入了 一定量的稀±元素化,尤其是合金中首次提出化和化的复合添加。
[0009] -种综合性能优异的高溫铁合金棒材的制备工艺:
[0010] 1似海绵铁、高纯侣、海绵错、娃粒W及Ti-师、Ti-Sn、Ti-Ta、Al-Mo、Al-化中间合 金为原材料,进行称重、包合金包并压制成型;
[0011] 2)烙炼,优选采用设备为真空自耗电极电弧炉,优选电流为2600-5000A,稳弧3A, 经过=次重烙获得合金铸锭;
[0012] 烙炼后的铸锭组织为铁合金中典型的魏氏组织,晶粒尺寸较大,在原始的0晶粒内 形成较大的束集,同一束集内有较多a片彼此平行并形成同一取向。
[0013] 3)锻造工艺,锻造的开巧溫度为1100°C~1150°C (优选1150°C ),精锻工艺分为两 种,溫度分别为l〇〇〇°C和1050°C,空冷,得产品;如开巧锻造后获得截面边长为50mm的方棒, 精锻后获得直径为?30mm的圆棒。
[0014] 精锻工艺1000°C后:锻造后原始0晶粒完全破碎,片状a发生扭曲、碎化,部分片状a 发生再结晶转变为等轴状a相,而没有发生再结晶的a相呈现杆状或纤维状。
[0015] 精锻工艺1050°C后:组织中晶粒得到明显细化,0晶粒保持原始粗大的多边形形 状,同时部分e相发生再结晶,优先出现在晶粒的边界。
[0016] 本发明的优点:与现有高溫铁合金的研究集中在60(TC运一服役溫度相比,本发明 致力于65(TC高溫铁合金的开发,同时制备出的合金具有优异的服役性能,具体体现在室 溫、高溫综合性能优异,因此在工程领域具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0017] 图1铸态合金金相显微组织。
[001引图2合金DSC曲线。
[0019] 图3锻态合金金相显微组织。
[0020] a) 1000°C锻造组织;b) 1050°C锻造组织。
[0021] 图4锻态合金室溫拉伸应力应变曲线。
[0022] 图5锻态合金650°C高溫拉伸应力应变曲线。
【具体实施方式】
[0023] 本发明中的高溫铁铁合金特征在于:合金中各成分及其重量百分比为:41:5.4- 5.6%,Sn:3.0-3.3%,Zr:5.3-5.5%,Mo:0.5-0.6%,Nb:0.8-l%,Si:0.4-0.5%,Ta:0.9- 1.0%,Er:0.1-0.3%,余量为Ti。
[0024] 高溫铁合金的制备:原材料为海绵铁、高纯侣、海绵错、娃粒W及1'1-抓、1'1-511、11- Ta、Al-Mo、Al-化中间合金,按成份配比配料且混合均匀包合金包,并在压力机上压制成电 极。电极在真空自耗电极电弧炉上烙炼,进行=次重烙获得铁合金铸锭,将铸锭去氧化皮、 去头尾。
[0025] 烙炼后的合金铸锭组织见附图1,可W看到所得铸锭组织为铁合金中典型的魏氏 组织,晶粒尺寸较大,在原始的e晶粒内形成较大的束集,同一束集内有较多a片彼此平行并 形成同一取向。
[0026] 为了确定合金锻造工艺,本发明采用DSC方法测试了合金的0转变溫度,结果见附 图2。
[0027] 经开巧锻造、精锻最终锻造成棒材。开巧加热溫度在1100°C~1150°C,最终精锻溫 度分别在l〇〇〇°C (在1000°C开始在空气中锻造,然后在低于970°C的时候在回炉,如此往复 锻造,使锻造溫度始终在l〇〇〇°C左右)和1050°C (在1050°C开始在空气中锻造,然后在低于 1000°C的时候在回炉,如此往复锻造,使锻造溫度始终在1050°C左右)。
[0028] 实施例1
[00巧]按名义成分Ti-6.0A1-3. OSn-5. OZr-0.5MO-1.0化-0.4Si-0.2化(重量百分比,% ) 配制合金原料,原材料使用海绵铁、高纯侣、海绵错、娃粒W及Ti-Nb、Ti-Sn、Ti-Ta、Al-Mo、 A1-化中间合金,按成份配比配料且混合均匀包合金包,并在压力机上压制成电极。电极在 真空自耗电极电弧炉上烙炼,进行=次重烙获得铁合金铸锭,铸锭经化皮处理后,涂抹玻璃 防护润滑剂,防止合金高溫氧化。在115(TC开巧锻造,开巧锻造后获得截面边长为50mm的方 棒,随后在l〇〇〇°C下进行多火次墳拔W细化组织,最后精锻成直径为?30mm的圆棒。
[0030] 精锻后所得到的组织见附图3a,从中可W看到,锻造后原始0晶粒完全破碎,片状a 发生扭曲、碎化,部分片状a发生再结晶转变为等轴状a相,而没有发生再结晶的a相呈现杆 状或纤维状。
[0031] 精锻后锻态合金室溫力学性能:抗拉强度为l〇25MPa,屈服强度为905MPa,延伸率 为14.0%,断面收缩率20.6%。(如附表1说明)
[0032] 精锻后锻态合金650°C高溫力学性能:抗拉强度为649M化,屈服强度为542MPa,延 伸率为16.0%,断面收缩率43.5%。(如附表2说明)
[0033] 精锻后锻态合金室溫拉伸应力应变曲线见附图4。
[0034] 精锻后锻态合金650°C高溫拉伸应力应变曲线见附图5。
[0035] 实施例2
[0036] 按名义成分Ti-6.0A1-3. OSn-5. OZr-0.5MO-1.0化-0.4Si-0.2化(重量百分比,% ) 配制合金原料,原材料使用海绵铁、高纯侣、海绵错、娃粒W及Ti-Nb、Ti-Sn、Ti-Ta、Al-Mo、 Al-化中间合金,按成份配比配料且混合均匀包合金包,并在压力机上压制成电极。电极在 真空自耗电极电弧炉上烙炼,进行=次重烙获得铁合金铸锭,铸锭经化皮处理后,涂抹玻璃 防护润滑剂,防止合金高溫氧化。在115(TC开巧锻造,开巧锻造后获得截面边长为50mm的方 棒,随后在1050°C下进行多火次墳拔W细化组织,最后精锻成直径为?30mm的圆棒。
[0037] 精锻后所得到的组织见附图3b,从中可W看到,组织中晶粒得到明显细化,0晶粒 保持原始粗大的多边形形状,同时部分e相发生再结晶,优先出现在晶粒的边界。
[0038] 精锻后锻态合金室溫力学性能:抗拉强度为1035MPa,屈服强度为910MPa,延伸率 为12.5%,断面收缩率13.3%。(如附表1说明)
[0039] 精锻后锻态合金650°C高溫力学性能:抗拉强度为703M化,屈服强度为584MPa,延 伸率为11.5%,断面收缩率33.0%。(如附表2说明)
[0040] 精锻后锻态合金室溫拉伸应力应变曲线见附图4。
[0041 ]精锻后锻态合金650°C高溫拉伸应力应变曲线见附图5。
[0042]表1锻态合金的室溫拉伸性能
【主权项】
1. 一种高温钛合金,该合金包括1';1,41,311,21',]/[〇和3;[,其特征在于:该合金中还同时含 有Nb,Ta,Er三种元素,合金中各成分及其重量百分比为:A1:5.4-5.6 %,Sn: 3.0-3.3%,Zr: 5.3-5.5%,M〇:0.5-0.6%,Nb:0.8-1 %,Si :0.4-0.5%,Ta:0.9-l .0%,Er:0」-0·3%,余量 为Ti。2. 权利要求1所述的一种高温钛合金棒材的制备工艺,其特征在于:包括以下步骤: 1) 以海绵钛、高纯铝、海绵锆、硅粒以及Ti-Nb、Ti-Sn、Ti-Ta、Al-Mo、Al-Er中间合金为 原材料,进行称重、包合金包并压制成型; 2) 熔炼获得合金铸锭; 3) 锻造工艺,锻造的开坯温度为1100 °C~1150°C,精锻工艺分为两种,温度分别为1000 °(:和1050°(:,空冷,得产品。3. 按照权利要求2的方法,其特征在于,步骤2)采用设备为真空自耗电极电弧炉,电流 为2600-5000A,稳弧3A,经过三次重熔获得合金铸锭。4. 按照权利要求2的方法,其特征在于,步骤2)熔炼后的铸锭组织为钛合金中典型的魏 氏组织,晶粒尺寸较大,在原始的β晶粒内形成较大的束集,同一束集内有较多α片彼此平行 并形成同一取向。5. 按照权利要求2的方法,其特征在于,精锻工艺1000°C后:锻造后原始β晶粒完全破 碎,片状α发生扭曲、碎化,部分片状α发生再结晶转变为等轴状α相,而没有发生再结晶的α 相呈现杆状或纤维状; 精锻工艺1050°C后:组织中晶粒得到明显细化,β晶粒保持原始粗大的多边形形状,同 时部分β相发生再结晶,优先出现在晶粒的边界。6. 按照权利要求2的方法,其特征在于,精锻温度为1000°C后, 锻态合金室温力学性能:抗拉强度为l〇25MPa,屈服强度为905MPa,延伸率为14.0 %,断 面收缩率20.6%; 锻态合金650°C高温力学性能:抗拉强度为649MPa,屈服强度为542MPa,延伸率为 16.0%,断面收缩率43.5%。7. 按照权利要求2的方法,其特征在于,精锻温度为1050°C后, 锻态合金室温力学性能:抗拉强度为l〇35MPa,屈服强度为9lOMPa,延伸率为12.5 %,断 面收缩率13.3% ; 锻态合金650°C高温力学性能:抗拉强度为703MPa,屈服强度为584MPa,延伸率为 11.5%,断面收缩率33.0%。
【文档编号】C22C14/00GK106048305SQ201610566667
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】李伯龙, 王振强, 王同波
【申请人】北京工业大学
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