专利名称：一种高温钛合金的制作方法
技术领域：
本发明属于钛基合金技术领域，具体涉及到一种应用在航空发动机上600°C长期 使用的钛基合金。
背景技术：
高温钛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、机匣等。高温钛合金的使用温度从最初的400°C发展到 600°C，国外600°C高温钛合金如英国的IMI 834、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高温钛合 金Ti60和Ti600在强度上也已达到国际先进水平。目前，进一步提高高温钛合金的使用温 度，并使其综合性能得到良好匹配成为研究的重点。高温钛合金的发展主要受到热强性和热稳定性限制。600°C高温钛合金几乎全是 Ti-AHr-Sn-Mo-Si系近α型高铝当量合金。这种合金通过增加Al、Sn、&的含量会有效 的提高合金的强度，但经长期使用后热稳定性会有不同程度的下降。原因是，合金中加入较 多的Al和Sn，会导致析出大量的Ti3X(X = Al、Sn)脆性相，使合金热稳定性下降。热稳定 性表征了材料在高温长时间作用下保持塑性和韧性的能力，是高温钛合金的一个重要力学 性能指标。对于保证高温钛合金部件的高温长期使用可靠性具有重要的意义。表1各国600°C高温钛合金名义成分
合金牌号及国家合金元素重量百分比TiAlZrSnMoNbSi其他Τ 60 (中)Bal.5.824.810.350.85NdΤ 600 (中)Bal.642.80.50.40.1YΙΜΙ834 (英)Bal.5.5440.310.50.06CTillOO (美)Bal.642.70.40.45ΒΤ36 (俄)Bal.6.23.620.70.155W表1为国内外5种600°C高温钛合金及其名义成分。从国外以及国内的大量文献 报道可知这五种合金均有较高的室温和高温强度，抗拉强度均在1000 IlOOMpa和600 750Mpa，但对于热稳定性能的研究结果不一，多数差强人意，有些合金塑性下降达50%以 上，不能达到600°C高温钛合金对于热稳定性能的设计指标。因此，为了提高高温钛合金在 600°C下使用的可靠性，需要设计一种合金使其具有较高的热强性，同时还能具有较好的热 稳定性，综合性能得到良好的匹配。合金的性能一定程度上取决于其组成元素，从表中成分可知，现有的600°C高温钛 合金中均含有Al、Zr、Sn、Mo和Si元素，并且重量百分比相近。其中Al为α相稳定元素， &和Sn为中性元素，三种元素共同用来保证合金的热强性，Mo为β相稳定元素，少量的β 相稳定元素的加入可以改善合金的可加工性，Si的加入可提高合金蠕变抗力。这些元素的加入，可以很好的强化合金。高温钛合金经过长期的发展，这五种元素几乎成为不可缺少的 组成部分。在此基础上，有的合金还加入了弱的β相稳定元素Nb和W，还有的合金添加一 定量的稀土 Nd或者Y。这五种合金成分不同之处就在于主要的合金元素的添加量略微不 同，或者添加了其他的合金元素。一般，通过优化并严格控制合金组成元素含量，改善合金 处理工艺往往能够起到改善合金热稳定性的作用。
发明内容
本发明目的是通过优化合金的成分，设计研制出一种可在600°C下长期工作的具 有较高的热强性和较好的热稳定性的高温钛合金。一种高温钛合金，该合金包括Ti、Al、Zr、Sn和Si，其特征在于该合金中还同时 含有Nb、Mo、Nd三种元素，合金中各成分及其重量百分比为A1 :6. 2 6. 5%，& :3. 5 4. 0%, Sn 2. 0 ~ 2. 5%, Mo 0. 1 0. 3%，Nb 0. 6 0. 9%，Si 0. 3 ~ 0. 4%, Nd 0. 4 0.8%，余量为Ti。进一步，所添加元素Nd的重量百分比为0. 4 0. 6%。本发明所研制出的600°C高温钛合金，包括Ti、Al、Zr、Sn、Mo、Nb、Si、Nd八种元 素，其特征在于合金中含有Nb和Mo两种β相稳定元素，同时还加入了稀土元素Nd。该 合金元素组成特点上与已有的600°C高温钛合金的成分的差别在于，已有的600°C高温钛 合金的元素组成上并未出现过同时加入两种β相稳定元素和一种稀土元素，而本发明中 加入了 Mo和Nb两种β相稳定元素并且还加入了一定量的稀土元素Nd。在元素含量上，本 发明钛合金体系采用高Al高rLx低Sn，以及低Mo和中Nb的一个成分配比，在这个新的基础 合金中加入少量的稀土 Nd。特点是，高Al高&低Sn组合保证合金的热强性，Nb作为一种 弱的β相稳定元素，其本身具有使合金抗氧化的作用，利用低Mo和中Nb的组合更好的保 证了合金的可加工性和热稳定性。稀土 Nd的加入可起到强化合金基体同时改善合金热稳 定性的作用。发明人通过对高温钛合金中各组成元素的作用进行深入研究，得出对于本发明中 合金元素的优化选择。下面对本发明是如何选择确定合金成分及其效果进行说明，所有的 元素成分均是按重量百分比计算。本发明对Al、Mo、Nb、Nd在钛合金中的作用进行综合分析，得到如下元素含量确定 方案Al作为高温钛合金不可缺少的合金元素，它的作用是强化α相，可以有效的提高 高温强度，以往的经验认为当Al的加入量超过6%会因析出α 2相导致合金脆化，降低合金 室温塑性，即降低热稳定性，但是后来大量的研究认为，合金中析出少量的α 2相弥散分布 在基体中也可以起到一定的强化作用，对于提高热强性(蠕抗力变、拉伸强度)有一定的帮 助。而析出α 2相还与所加入的Zr、Sn以及氧杂质的含量有关，经验证明当所加入的合金 元素满足铝当量公式[A1J = % Al+1/3% Sn+l/6Zr+10% 0^9% (10% 0可认为等于1) 时较为合适。因此，本发明合金的Al的含量范围确定为6. 2 6. 5%，同时&和Sn的含量 范围分别为调整为3. 5 4. 0%和2 2. 5%，满足了铝当量经验公式。另外，Mo和Nb分别为β相稳定元素，其中Mo为较强的β相稳定元素，Nb较弱。 本发明的高温钛合金为近α型合金，即主要含有α相同时含有少量的β相。β相的作用是提供合金一定的韧性，可加工性。Mo可以显著的降低β相转变温度，且在α-Ti中溶 解度很小，因此大量的Mo的加入会导致合金中出现大量的β相且强度下降明显。Nb作为 弱的β相稳定元素，其本身在α相中的溶解度较大，且能够提高合金的抗氧化性，这对于 改善高温钛合金的热稳定性有好的作用，但其加入量也不宜过高，有研究认为Nb加入量过 高会降低合金的高温强度。由此可见同时加入Mo和Nb两种β相稳定元素可以提供给合 金一定可加工性和抗氧化性，综合作用较好。本发明考虑将其成分范围确定在Mo为0. 1 0. 3%和Nb为0. 6 0. 9%较为合适。稀土 Nd元素加入到钛合金中，会在熔炼过程中形成一种高温稳定的稀土相，弥散 分布在合金基体中，这种稀土相颗粒小，主要由含有氧(0)、钕(Nd)、锡(Sn)三种元素组成， 在降低基体氧(0)和锡(Sn)的同时，降低合金基体平均电子浓度，降低了铝当量数值，从而 抑制脆性相的大量析出，改善了合金热稳定性。另外这种稀土相的存在可起到细化晶粒作 用，弥散分布的稀土相颗粒能够阻碍晶界运动，钉扎位错，强化合金基体。本发明将Nd成分 范围确定在0. 4 0. 8%，取得了较好的效果。本发明所提供的高温钛合金在真空自耗电弧炉中熔炼，然后将铸锭扒皮，在β相 区进行开坯锻造；在两相区下进行精锻，然后经两相区固溶时效出处理，获得含有一定量初 生α相的双态组织。具有较高的室温、高温拉伸强度，并且与国内外同类合金水平相当，具 有良好的塑性，同时本发明合金还表现出较好的热稳定性。
图INd含量对本发明合金室温抗拉强度的影响。图2Nd含量对本发明合金经过600°C /IOOh空气热暴露后的室温拉伸塑性的影响。以下结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步描述。本发明通过改变稀土 Nd 的加入量，从拉伸性能和热稳定性上来确定Nd的最佳含量；考察不同的Mo、Nb配比对合金 性能的影响。
具体实施例方式实施例1按下述配方:A16. 2wt%, Zr :4· Owt%, Sn :2· 5wt%, Mo :0· 3wt%, Nb :0· 9wt%, Si :0. 35wt%，余量为Ti进行配料，其中加入Nd含量分别为(wt% ) :0，0.4，0.6，0.8，四种 合金成分编号分别为:1，II，III，IV。将0级海绵钛、高纯Al、&颗粒、TiSn、AlMo、AlNb、 AlSi屑状中间合金以及高纯Nd粉，混料压制成电极，其中屑状和粉状材料用高纯铝箔包 裹后进行电极压制，在真空自耗电弧炉中二次熔炼，最终得到四个重量约为5kg，直径为 120mm高140mm的含Nd量不同的铸锭，对每个铸锭进行扒皮后沿圆柱截面平均截断成两节， 并均在1100°C下进行开坯锻造，反复镦拔成边长约为70毫米的方坯，再在980°C下对方坯 进行拔长，得到直径为20mm的棒材，空冷。将获得的不同成分的编号为I，II，III，IV的棒 材经1000°C /lh,空冷的固溶处理和700°C /2h，空冷的时效处理后，取样制成多根圆柱形端 头带螺纹的标准拉伸试样，进行室温、600°C瞬时拉伸测试。以及600°C /IOOh空气热暴露 处理后的室温拉伸测试。拉伸数据见表2，其中，Qb为抗拉强度，Qs为屈服强度，A为延伸 率，Z为断面收缩率。
表2合金室温及高温拉伸性能
权利要求
一种高温钛合金，该合金包括Ti、Al、Zr、Sn和Si，其特征在于该合金中还同时含有Nb、Mo、Nd三种元素，合金中各成分及其重量百分比为Al6.2～6.5％，Zr3.5～4.0％，Sn2.0～2.5％，Mo0.1～0.3％，Nb0.6～0.9％，Si0.3～0.4％，Nd0.4～0.8％，余量为Ti。
2.权利要求1所述的一种高温钛合金，其特征在于所添加元素Nd的重量百分比为 0. 4 0. 6%。
全文摘要
一种高温钛合金属于合金领域。本发明提供了一种最高使用温度可达600℃的高温钛合金，其特征在于主要合金元素在已有600℃高温钛合金基础上做了含量的调整，同时加入Mo、Nb、和稀土元素(钕)Nd。合金成分范围(重量百分比)为Al6.2～6.5％，Zr3.5～4.0％，Sn2.0～2.5％，Mo0.1～0.3％，Nb0.6～0.9％，Si0.3～0.4％，Nd0.4～0.8％，余量为Ti。本发明合金具有较高的热强性和较好的热稳定性。可成为航空发动机中高温钛合金部件如压气机盘、叶片等的备选材料。
文档编号C22C14/00GK101988167SQ20101057102
公开日2011年3月23日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者丁蓓蓓, 李伯龙, 李红梅, 聂祚仁, 韩鹏 申请人:北京工业大学