本发明涉及一种短时高温高强钛合金及其制备方法，具体涉及一种Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si合金及其制备方法，属于钛合金材料领域。
背景技术：
高温钛合金具有比重小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，在航空航天等领域广泛应用。随着航天工业的发展，针对高速飞行器等的短时高温高强需求，需要提高合金在650℃以上的强度，且在大载荷下具有较好的短时持久蠕变性能。现有典型的高温钛合金，最高使用温度约为600℃，如IMI834、Ti-1100、BT18y、Ti60、Ti600合金等，无法满足航天领域对650℃及以上高温钛合金的短时高强要求。现有高温钛合金的成分设计主要是依据航空发动机的高温长时特点进行，通过限制合金中β稳定元素的添加量来控制组织中β相的含量，以避免因β相在长期服役过程中发生分解对组织稳定性带来的不利影响。但是，航天用高温钛合金服役时间短(约为十几分钟，不超过1小时)，因此可以适当提高合金中β稳定元素的含量。本发明在高温钛合金中添加高含量的高熔点β稳定元素Nb和W(两者之和不低于6.5％)进行多元合金化以后，获得了α+β型两相高温钛合金，使其650℃及以上性能得到显著提升。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种可在650℃及以上短时应用的高温高强Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si合金及其制备方法。
一种短时高温高强钛合金，具体为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si合金，该钛合金的组成及其重量百分比的含量为Al：6.3～7.5％，Sn：1.5～3.5％，Zr：4～5％，Mo：0.8～1.5％，Nb：4.5～7％，W：2～4％，且Nb和W之和为6.5～10％，Si：0.2～0.5％，余量为Ti，上述各成分的含量之和为100％。
优选的，合金各组分含量的重量百分比为Al：6.5～7.0％，Sn：2～3％，Zr：4～4.5％，Mo：0.8～1.2％，Nb：5～6％，W：2～3％，且Nb和W之和为7～9％，Si：0.3～0.5％，余量为Ti。
合金中还含有O及不可避免的杂质，其重量百分比含量为O：0.1～0.2％，优选为O：0.15～0.2％。
上述合金可采用真空自耗电弧炉熔炼成Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si铸锭，热轧得 到成品棒材。
一种短时高温高强钛合金的制备方法，包括如下步骤：
首先，将原材料0级海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo、Al-W-Ti中间合金、Ti-Si中间合金，按照成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到合金铸锭；
然后，将合金铸锭在1090-1100℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒，锻造加热温度由1000-1060℃逐渐降至970-1000℃；然后经过三火次轧制，在930-970℃轧制成成品棒材。
上述高温高强钛合金的室温抗拉强度为1180-1440MPa，延伸率为11-18％；650℃下的抗拉强度为690-825MPa；700℃下的抗拉强度为540-645MPa；650℃/450MPa条件下，持久断裂时间为50-100min。
本发明合金为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si，针对航天高温短时的应用特点，不需要考虑组织稳定性，所以，Al当量和β稳定元素含量都较高。Al是钛合金中最重要的强化元素，具有显著的固溶强化作用，该合金通过添加6.3～7.5％Al，促进析出少量纳米尺度Ti3Al相(α2相)，进一步提高强化效果；Sn、Zr为中性元素，起到补充强化作用，并且Sn和Zr对合金塑性的损害没有Al大，使得合金具有良好的塑性和焊接性能；Mo为强β稳定元素，可以显著提高合金的强度和高温持久性能；Si元素是高温钛合金中十分重要的微量合金化元素，可以提高合金的高温持久性能；考虑Nb在α相和β相中均具有较高的溶解度，设计了Nb添加量为4.5～7％，可以同时提高合金的高温强度、加工工艺性能及抗氧化性能；同时添加2～4％的高熔点元素W，进一步提高其高温强度。
本发明的合金通过添加Al、Sn、Zr、Mo、Nb、W、Si进行多元强化，特别是高添加量的Nb和W，提高合金的高温强度和持久性能。
本发明的高温高强Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si合金，采用真空自耗熔炼加开坯锻造、中间锻造成棒坯、热轧工序制备棒材，按照国标GB/T 228-2002方法进行室温拉伸测试，按照GB/T 4338-2006方法进行高温拉伸测试。所述合金的拉伸性能为：室温抗拉强度为1180-1440MPa，延伸率为11-18％；650℃下的抗拉强度为690-825MPa；700℃下的抗拉强度为540-645MPa。按照国标GB/T 2039-1997方法进行持久性能测试，所述合金性能为在650℃/450MPa条件下，持久断裂时间不低于50min；本发明的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si合金材料在650℃及以上具有优异的室温和高温力学性能匹配，可以满足短时高温高强条件下对钛合金的应用需求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但并非因此而限制本发明的内容。
本发明的合金是一种650℃及以上短时应用的高温钛合金，按重量百分比计算，该合金含有Al：6.3～7.5％，Sn：1.5～3.5％，Zr：4～5％，Mo：0.8～1.5％，Nb：4.5～7％，W：2～4％，且Nb和W之和为6.5～10％，Si：0.2～0.5％，O：0.1～0.2％，余量为Ti及不可避免的杂质，上述各成分的含量之和为100％。
实施例1：Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-0.8Mo-5Nb-2W-0.3Si合金
(1)原材料为0级海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo、Al-W-Ti中间合金、Ti-Si中间合金，按照成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到合金铸锭；
(2)将合金铸锭在1100℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒，锻造加热温度由1050℃逐渐降至980℃；然后经过三火次轧制，在950℃轧制成Ф16mm的成品棒材；所得合金中O含量为0.18％。
材料性能：按照国标GB/T 228-2002、GB/T 4338-2006、GB/T 2039-1997方法分别进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。合金室温抗拉强度1180MPa，延伸率18％；650℃的抗拉强度750MPa，700℃的抗拉强度580MPa，650℃/450MPa条件下，持久断裂时间为70min。
实施例2：Ti-7Al-3Sn-4.5Zr-1.2Mo-6Nb-3W-0.5Si合金
(1)原材料为0级海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo、Al-W-Ti中间合金、Ti-Si中间合金，按照成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到合金铸锭；
(2)将合金铸锭在1090℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒，锻造加热温度由1030℃逐渐降至980℃；然后经过三火次轧制，在940℃轧制成Ф16mm的成品棒材；所得合金中O含量为0.17％。
材料性能：按照国标GB/T 228-2002、GB/T 4338-2006、GB/T 2039-1997方法进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1400MPa，延伸率12％；650℃的抗拉强度795MPa，700℃的抗拉强度630MPa，650℃/400MPa条件下，持久断裂时间为75min。
实施例3：Ti-6.8Al-2Sn-4Zr-1Mo-6Nb-2.5W-0.4Si合金
(1)原材料为0级海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo、Al-W-Ti中间合金、Ti-Si中间合金，按照成分配比进行配料，混合后压制 成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到合金铸锭；
(2)将合金铸锭在1090℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒，锻造加热温度由1030℃逐渐降至980℃；然后经过三火次轧制，在940℃轧制成Ф16mm的成品棒材；所得合金中O含量为0.18w％。
材料性能：按照国标GB/T 228-2002、GB/T 4338-2006、GB/T 2039-1997方法进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1415MPa，延伸率11％；650℃的抗拉强度780MPa，700℃的抗拉强度620MPa，650℃/450MPa条件下，持久断裂时间为100min。
实施例4：Ti-7Al-3Sn-4.5Zr-0.8Mo-5Nb-2W-0.3Si合金
(1)原材料为0级海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo、Al-W-Ti中间合金、Ti-Si中间合金，按照成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到合金铸锭；
(2)将合金铸锭在1100℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒，锻造加热温度由1060℃逐渐降至1000℃；然后经过三火次轧制，在970℃轧制成Ф16mm的成品棒材；所得合金中O含量为0.15％。
材料性能：按照国标GB/T 228-2002、GB/T 4338-2006、GB/T 2039-1997方法进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1225MPa，延伸率16％；650℃的抗拉强度725MPa，700℃的抗拉强度545MPa，650℃/450MPa条件下，持久断裂时间为80min。
实施例5：Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-1.2Mo-6Nb-3W-0.5Si合金
(1)原材料为0级海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo、Al-W-Ti中间合金、Ti-Si中间合金，按照成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到合金铸锭；
(2)将合金铸锭在1050℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒，锻造加热温度由1000℃逐渐降至970℃；然后经过三火次轧制，在930℃轧制成Ф16mm的成品棒材；所得合金中O含量为0.17％。
材料性能：按照国标GB/T 228-2002、GB/T 4338-2006、GB/T 2039-1997方法进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1440MPa，延伸率15％；650℃的抗拉强度825MPa，700℃的抗拉强度645MPa，650℃/450MPa条件下，持久断裂时间为60min。
实施例6：Ti-7.5Al-3.5Sn-5Zr-1.5Mo-7Nb-3W-0.5Si合金
(1)原材料为0级海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、 Al-Mo、Al-W-Ti中间合金、Ti-Si中间合金，按照成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到合金铸锭；
(2)将合金铸锭在1090℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒，锻造加热温度由1050℃逐渐降至990℃；然后经过三火次轧制，在950℃轧制成Ф16mm的成品棒材；所得合金中O含量为0.12％。
材料性能：按照国标GB/T 228-2002、GB/T 4338-2006、GB/T 2039-1997方法进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1280MPa，延伸率14％；650℃的抗拉强度790MPa，700℃的抗拉强度630MPa，650℃/450MPa条件下，持久断裂时间为75min。
实施例7：Ti-6.3Al-1.5Sn-4Zr-0.8Mo-4.5Nb-2W-0.3Si合金
(1)原材料为0级海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Ti-Sn中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Mo、Al-W-Ti中间合金、Ti-Si中间合金，按照成分配比进行配料，混合后压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼，得到合金铸锭；
(2)将合金铸锭在1050℃开坯，然后经过中间锻造锻成棒，锻造加热温度由1000℃逐渐降至980℃；然后经过三火次轧制，在930℃轧制成Ф16mm的成品棒材；所得合金中O含量为0.2％。
材料性能：按照国标GB/T 228-2002、GB/T 4338-2006、GB/T 2039-1997方法进行室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能测试。室温抗拉强度1330MPa，延伸率15％；650℃的抗拉强度690MPa，700℃的抗拉强度540MPa，650℃/450MPa条件下，持久断裂时间为50min。
本发明的合金通过添加Al、Sn、Zr、Mo、Nb、W、Si进行多元强化，特别是高添加量的Nb和W，提高合金的高温强度和持久性能，可以满足650℃及以上短时高温高强条件下对钛合金的应用需求。