专利名称：一种耐热钛合金材料及制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料领域，涉及一种耐热钛合金材料及其制备方法。
背景技术：
在金属材料领域中，耐热钛合金作为耐热材料一直受到普遍重视。CN200710042304. 4公开了一种复合强化耐热钛合金，属于稀有金属技术领域。该 合金中各组分重量百分比含量为A1 3%- 8% ；Sn 1%- 6% ；Zr 1% - 6% ；Mo 0. 5%-2% ；Nb 0. 5%- 1. 5% ；Si 0. 1%- 0. 8% ；La 0. 3%- 1% ；B 0. 1%- 0. 5% ；Ti 为余量。 但该合金的耐热性能还有待进一步加强。
发明内容
本发明的目的是为了增强钛合金材料的耐热性，提供一种耐热钛合金材料，该材 料具有良好的性能。本发明的另一目的是提供该耐热钛合金材料的制备方法，该制备方法工艺简单， 生产成本低，适于工业化生产。本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种耐热钛合金材料，其特征在于该材料以钛合金为基体，在基体上分布着由合 金钢丝和铁丝形成的金属丝团，合金钢丝和铁丝的直径均为l-2mm;金属丝团的直径为 10-15cm，材料中铁丝的总体长度相当于合金钢丝的二倍；两种金属丝占材料的体积百分比 为 10-35% ；钛合金基体的化学成分的重量百分含量A1为2-3%，Cu为4% 6%，^ 为1-3%，Gd 为 3%，Si为 3. 5%，其余为Ti ；合金钢丝的化学成分的重量百分含量Cr为17-19%，Ni为8-10 Mo为2-3 Ti为 0. 6-1. 1%, C 为 0. 03-0. 07%, Ρ<0· 02%, S<0. 02%,其余为 Fe ；铁丝的化学成分的重量百分含量为C为0. 05-0. 09，Si为0. 0.3%，Mn为 0. 25-0. 35%, Ρ<0· 02%, S<0. 025%,其余为 Fe。所述基体中还分布有化合物TiN和TiB颗粒。一种耐热钛合金材料的制备方法，其特征在于它包括以下步骤合金钢丝及渗氮铁丝和渗硼铁丝的准备分别取直径为l_2mm、成分重量百分含量Cr 为 17-19%, Ni 为 8-10%, Mo 为 2-3%, Ti 为 0. 6-1. 1%, C 为 0. 03-0. 07%, Ρ<0· 02%, S <0. 02%, 其余为1 的合金钢丝，以及取直径为l_2mm、成分重量百分含量C为0. 05-0. 09，Si为 0. 2% 0. 3%, Mn为0. 25-0. 35%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余为Fe的铁丝，铁丝的总体长 度相当于合金钢丝的二倍，控制合金钢丝和铁丝二者共占材料的体积百分比为10-35% ；按 常规方法在一半铁丝表面渗氮制备渗氮铁丝，另一半铁丝表面渗硼制备渗硼铁丝；渗氮层 和渗硼层的厚度都为200-300微米；合金钢丝和得到的渗氮铁丝和渗硼铁丝三者总体长度 相当；按清洁球生产的常规方法将上述合金钢丝及渗氮铁丝和渗硼铁丝各取一根丝形成球 状的混合三丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中， 金属丝团的松紧程度由合金钢丝与铁丝共占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放 满铸型；控制铁丝占材料的体积百分比为10-35% ；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上， 合箱完毕后等待铁水浇注；钛合金基体的准备按重量百分含量Al为2-3%，Cu为4% 6%，Zr为l_3%，Gd为 3%，Si为 35%，其余为Ti进行配料；将钛合金基体在感应电炉中熔化制得钛 合金液，熔化温度为1680-1720°C ；将上述钛合金液浇入装有金属丝团的干砂铸型，钛合金液将合金钢丝及渗氮铁丝和渗 硼铁丝包围，然后冷却凝固，得到以钛合金为基体的其中分布有金属丝团的耐热材料。本发明相比现有技术的有益效果如下(1)本发明材料中的合金钢丝及铁丝自身具有相当的强度和较高的耐热性能。在浇注 中高温液态钛将部分合金钢丝及铁丝熔融，合金钢丝中的Ni、Cr及铁丝及镀层中的！^、N、 B、进入液态钛中，与钛形成TiN、TiB, TiCr2, TiFe2等特殊化合物，弥散增强钛合金；未熔的 合金钢丝及铁丝与钛合金冶金结合，对钛合金起到增强增韧的作用，同时具有耐热增强作 用，特别是TiN和TiB的作用最大。Cu和Si在钛中形成Ti3Si和CuTi2。也对钛合金起到 增强增韧和耐热的作用。(2)材料中的ττ和Gd与Ti不形成化合物，对钛合金的组织具有显著细化的作用， 有助于材料增强增韧和耐热的提高。(3 )本发明材料中P、S为杂质，控制在允许的范围。(4)本发明合金材料成本低，制备工艺简便，生产成本低，生产的合金材料性能好， 而且非常便于工业化生产。本发明提供的钛合金在650 - 700°C下仍保持良好的高温强度、抗蠕变、热稳定等 综合性能，在航天、航空的耐高温领域有良好的应用背景。本发明的合金性能见表1。
图1为本发明实施例一制得的耐热钛合金材料的金相组织。图1可以看到在钛合金与金属丝结合良好。
具体实施例方式以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分比均可换成重量g、kg 或其它重量单位。以下实施例中的直径为l_2mm的合金钢丝与铁丝均为市购，铁丝的渗氮 层和渗硼层自制。实施例一合金钢丝的化学成分的重量百分含量Cr为17%，Ni为8%，Mo为2%，Ti为0. 6%, C为 0. 03%, P<0. 02%, S <0. 02%,其余为!^e ；合金钢丝的直径为1mm。铁丝的成分为C 为 0. 05%, Si 为 0. 2%, Mn 为 0. 25%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余 为狗；铁丝的直径为1mm。4
铁丝的总体长度相当于合金钢丝的二倍，控制合金钢丝和铁丝二者共占材料的体 积百分比为10%。取一半铁丝按照常规方法渗氮制备渗氮铁丝，取另一半铁丝按照常规方法渗硼制 备渗硼铁丝渗氮层和渗硼层的厚度均为200微米。合金钢丝与得到的渗氮铁丝和渗硼铁 丝三者总体长度相当；按清洁球生产的常规方法将上述合金钢丝及渗氮铁丝和渗硼铁丝各取一根丝形成球 状的混合三丝金属丝团(三根丝各取一根同时成型，形成三丝金属丝团，成型可按洗碗用的 清洁球或称钢丝球的方法制作)，金属丝团直径为15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型 腔中，金属丝团的松紧程度由合金钢丝与铁丝共占材料的体积百分比决定，保证金属丝团 正好放满铸型；控制铁丝占材料的体积百分比为10% ；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型 上，合箱完毕后等待铁水浇注；钛合金基体准备按成分的重量百分含量A1为^)，Cu为4%，Zr为l%，Gd为1%， Si为1%，其余为Ti进行配料。将钛合金基体原料在感应电炉中熔化制得钛合金液，熔化 温度为 1695-1705°C ；将上述钛合金液浇入装有金属丝团的干砂铸型，钛合金液将合金钢丝及渗氮铁丝和渗 硼铁丝包围，然后冷却凝固，得到以钛合金为基体的其中分布有金属丝团的耐热材料。实施例二 钛合金基体成分按重量百分含量A1为3%，Cu为6%，Zr为3%，Gd为3%，Si为 3%，其余为Ti进行配料。合金钢丝的化学成分的重量百分含量Cr为19%，Ni为10 Mo为3%，Ti为 1. 1%, C为0. 07%, Ρ<0· 02%, S <0. 02%,其余为Fe ；该合金钢丝的直径为2mm。铁丝的化学成分的重量百分含量C为0.09%，Si为0.3%，Mn为0. :35 P<0. 02%, S <0. 025%,其余为！^ ；该铁丝的直径为2mm。铁丝的总体长度相当于合金钢丝的二倍，两种金属丝共占材料的体积百分比为 35%。取一半铁丝按照常规方法渗氮制备渗氮铁丝，取另一半铁丝按照常规方法渗硼制 备渗硼铁丝渗氮层和渗硼层的厚度均为300微米。合金钢丝与得到的渗氮铁丝和渗硼铁 丝三者总体长度相当；按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝混合的三丝金属丝 团，金属丝团直径为10cm。制备过程同实施例一。实施例三钛合金基体成分按重量百分含量Al为2. 5%，Cu为5%，Zr为2%，Gd为2%，Si为 2%，其余为Ti进行配料。合金钢丝的化学成分的重量百分含量Cr为18%，Ni为9%，Mo为2. 5%, Ti为 0. 8%, C为0. 05%, Ρ<0· 02%, S <0. 02%,其余为Fe ；该合金钢丝的直径为1. 5mm。铁丝的化学成分的重量百分含量C为0.07%，Si为0.25 Mn为0. 3%，P<0. 02%, S <0. 025%,其余为！^ ；该铁丝的直径为1. 5mm。铁丝的总体长度相当于合金钢丝的二倍，两种金属丝共占材料的体积百分比为 20%。
取一半铁丝按常规方法渗氮制备渗氮铁丝，取另一半铁丝按常规方法渗硼制备渗 硼铁丝渗氮层和渗硼层的厚度均为250微米。合金钢丝与得到的渗氮铁丝和渗硼铁丝三 者总体长度相当；按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝混合的三丝金属丝团， 金属丝团直径为15cm。制备过程同实施例一。对比实施例四原料配比不在本发明范围内的实例钛合金基体成分按重量百分含量A1为1%，Cu为3%，&为1%，Gd为0. 43%，Si 为0.6%，其余为Ti进行配料。合金钢丝的化学成分的重量百分含量Cr为16%，Ni为6 Mo为1%，Ti为0. 4%, C 为0. 02%, P<0. 02%, S <0. 02%,其余为!^e ；该合金钢丝的直径为0. 5mm。铁丝的化学成分的重量百分含量C为0. 04%, Si为0. 1%, Mn为0. 2%, P<0. 02%, S <0. 025%,其余为！^ ；该铁丝的直径为0. 5mm。铁丝的总体长度相当于合金钢丝的二倍，两种金属丝占材料的体积百分比为5%。铁丝不进行渗氮和渗硼处理，按清洁球生产的常规方法制作得到的三根金属丝 (其中两股为铁丝，一股合金钢丝)混合的三丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。制备过程同实施例一。对比实施例五原料配比不在本发明范围内的实例钛合金基体成分按重量百分含量A1为4%，Cu为7%，Zr为4%，Gd为4%，Si为 4%，其余为Ti进行配料。合金钢丝的化学成分的重量百分含量Cr为20%，Ni为11 Mo为4%，Ti为 1. 5%, C为0. 08%, P<0. 02%, S <0. 02%,其余为!^e ；该合金钢丝的直径为3mm。铁丝的化学成分的重量百分含量C为0. 1%，Si为0. 4%, Mn为0. 4%, P<0. 02%, S <0. 025%,其余为！^ ；该铁丝的直径为3mm。铁丝的总体长度相当于合金钢丝的二倍，两种金属丝占材料的体积百分比为40%。取一半铁丝按常规方法渗氮制备渗氮铁丝，取另一半铁丝按常规方法渗硼制备渗 硼铁丝渗氮层和渗硼层的厚度均为400微米。合金钢丝与得到的渗氮铁丝和渗硼铁丝三 者总体长度相当；按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝混合的三丝金属丝团， 金属丝团直径为10cm。制备过程同实施例一。表1各产品的性能对比
权利要求
1.一种耐热钛合金材料，其特征在于该材料以钛合金为基体，在基体上分布着由 合金钢丝和铁丝形成的金属丝团，合金钢丝和铁丝的直径均为l-2mm;金属丝团的直径为 10-15cm，材料中铁丝的总体长度相当于合金钢丝的二倍；两种金属丝占材料的体积百分比 为 10-35% ；钛合金基体的化学成分的重量百分含量A1为2-3%，Cu为4% 6%，^ 为1-3%，Gd 为 3%，Si为 3. 5%，其余为Ti ；合金钢丝的化学成分的重量百分含量Cr为17-19%，Ni为8-10 Mo为2-3 Ti为 0. 6-1. 1%, C 为 0. 03-0. 07%, Ρ<0· 02%, S<0. 02%,其余为 Fe ；铁丝的化学成分的重量百分含量为C为0. 05-0. 09，Si为0. 2% 0. 3%, Mn为 0. 25-0. 35%, Ρ<0· 02%, S<0. 025%,其余为 Fe。
2.根据权利要求1所述的耐热钛合金材料，其特征在于所述基体中还分布有化合物 TiN和TiB颗粒。
3.一种耐热钛合金材料的制备方法，其特征在于它包括以下步骤合金钢丝及渗氮铁丝和渗硼铁丝的准备分别取直径为l_2mm、成分重量百分含量Cr 为 17-19%，Ni 为 8-10%, Mo 为 2_3%，Ti 为 0. 6-1. 1%，C 为 0. 03-0. 07%, P<0. 02%, S <0.02%, 其余为1 的合金钢丝，以及取直径为l_2mm、成分重量百分含量C为0.05-0. 09，Si为 0. 2% 0. 3%, Mn为0. 25-0. 35%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余为Fe的铁丝，铁丝的总体长 度相当于合金钢丝的二倍，控制合金钢丝和铁丝二者共占材料的体积百分比为10-35% ；按 常规方法在一半铁丝表面渗氮制备渗氮铁丝，另一半铁丝表面渗硼制备渗硼铁丝；渗氮层 和渗硼层的厚度都为200-300微米；合金钢丝和得到的渗氮铁丝和渗硼铁丝三者总体长度 相当；按清洁球生产的常规方法将上述合金钢丝、渗氮铁丝和渗硼铁丝各取一根丝形成球状 的混合三丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金 属丝团的松紧程度由合金钢丝与铁丝共占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满 铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铁水浇注；钛合金基体的准备按重量百分含量Al为2-3%，Cu为4% 6%，Zr为l_3%，Gd为 3%，Si为 35%，其余为Ti进行配料；将钛合金基体在感应电炉中熔化制得钛 合金液，熔化温度为1680-1720°C ；将上述钛合金液浇入装有金属丝团的干砂铸型，钛合金液将合金钢丝及渗氮铁丝和渗 硼铁丝包围，然后冷却凝固，得到以钛合金为基体的其中分布有金属丝团的耐热材料。
全文摘要
本发明公开了一种耐热钛合金材料及其制备方法，该材料以以钛合金为基体，在基体上分布着由合金钢丝和铁丝形成的金属丝团，合金钢丝和铁丝的直径均为1-2mm；金属丝团的直径为10-15cm，材料中铁丝的总体长度相当于合金钢丝的二倍；两种金属丝占材料的体积百分比为10-35%。本发明耐热钛合金材料具有较高的耐热性能，且生产成本低，制备工艺简单。
文档编号C22C47/08GK102051561SQ20111000745
公开日2011年5月11日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者张禄, 王玲, 赵浩峰 申请人:南京信息工程大学