本发明涉及一种短时超高强耐热钛合金及合金板材和制备方法，属于高温钛合金材料领域。
背景技术：
随着短时高速飞行器飞行速度的不断提高，飞行器在超高音速飞行中会产生强大的气体热效应，导致壳体表面温度在很短的时间内达到600～700℃，一方面要求飞行器壳体材料具有良好的高温强度和大应力下持久寿命；另一方面，飞行器壳体为钣金构件，要求具备匹配的室温塑性和工艺成型性能。为了满足上述要求并保证飞行器减重，设计部门选择高温钛合金。目前得到广泛应用的高温钛合金(一般定义为长时高温钛合金)主要用于制造航空发动机，对材料在长期服役温度下的组织稳定性和抗氧化性要求极高，它们的工作温度可达600℃，随着使用温度的进一步提高，合金的高温强度和抗氧化性会发生急剧下降，通过传统的加工和热处理工艺已无法提高它们的使用温度和高温强度。而以金属间化合物Ti3Al和TiAl为基的合金具有更高的使用温度和高温强度，但这些合金的可加工性和塑性较差，无法适用于钣金成型。因此，新型高性能短时应用的钛合金(简称短时高温钛合金)的研制工作受到了高度重视。表1中列出了使用条件下长时高温钛合金和短时高温钛合金的主要区别。通过对比可以发现，短时高温钛合金对材料在室温下的工艺塑性、600℃以上温度的瞬时强度和大应力下(接近于屈服强度)的持久寿命提出了更高的要求。
表1长时高温钛合金与短时高温钛合金的区别
现阶段，提高钛合金使用温度和高温强度的主要途径有：1)钛合金的成分设计由少元到多元，从简单到复杂，通过多元复合强化提高合金强度；2)发展以细小的Ti3Al有序相弥散分布为基础的钛合金，在保证塑性的同时，通过第二相强化提高合金强度。
技术实现要素：
本发明目的在于提出一种可在650～700℃下短时应用的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Fe-W-Si系超高强耐热钛合金及合金板材和制备方法。
短时高温钛合金的工作温度通常在600℃以上，且工作时间短，一般为几十分钟到几小时之间，既要求具备材料成型时良好的工艺性能，有需要具备高温瞬时强度和大应力下持久性能匹配。目前，航空长时用高温钛合金最高使用温度为600℃，典型代表为IMI834、Ti-1100、BT36、Ti-60和Ti-600。这些合金除了BT36以外，几乎均为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高[Al]eq近α型钛合金，考虑到合金在长时高温工作时的组织稳定性，合金中β稳定元素含量较低。若继续增加对α相的固溶强化起决定性作用的α稳定元素和中性元素，容易导致α2相的大量析出而使合金变脆，降低材料的工艺性能，不利于钣金成型。因此，在对短时高温钛合金成分设计时，应重点选择β稳定元素进行强化。Mo、W具有熔点高、强度高、热传导率大、热膨胀系数小等特点，与Ti具有相近的原子半径和电负性，且都为bcc结构，在β-Ti中具有很大的溶解度，这两种元素的加入可有效地强化β相，提高合金的高温强度。Fe元素稳定β相的能力强，其价格低廉，加入到合金中可降低原料成本，并且Fe的加入强化β相的同时可使合金经热处理后保留一定量的β相，改善钛合金的加工工艺性能，有利于合金的板材成型。
一种短时超高强耐热钛合金，该合金组成及其各元素含量的重量百分比为Al：6.0～8.0％，Sn：2～4.5％，Zr：2～4.5％，Mo：0.5～5.0％，Fe：0.5～2.0％，W：0.5～2.0％，Si：0.2～0.5％，余量为Ti。
上述钛合金中还含有O，它们的重量百分比为：O：0.15～0.25％。
上述钛合金中杂质元素N、H和C的含量(重量百分比)为：N＜0.01％，H＜0.0015％，C＜0.05％。
一种短时超高强耐热钛合金的制备方法，包括如下步骤：合金采用的原料为0级海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、Ti-Sn、Ti-Si、Al-Mo、Mo-Fe和Al-Mo-W-Ti中间合金；将海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2和中间合金称量完毕后进行分层布料，然后压制成电极，通过三次真空自耗电弧熔炼制备出铸锭。
一种短时超高强耐热钛合金板材，采用上述短时超高强耐热钛合金制成。
本发明合金，可通过以下优化的加工工艺制备出板材。
一种短时超高强耐热钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：将上述方法制备的铸锭在相变点以上开坯，逐步降温进行中间锻造制成板坯，对板坯在相变点以下40～50℃充分加热后，在轧机上轧制成2.5～3mm厚的板材；随后对板材进行整体热处理，热处理温度为相变点以下20℃，保温时间为2h，冷却方式为空冷。
采用上述加工工艺制备Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Fe-W-Si合金板材，按照GB/T 232-2010方法进行室温弯曲试验，按照GB/T 228.2-2010方法进行室温拉伸测试，按照GB/T4338-2006方法进行高温拉伸测试，按照GB/T 2039-1997方法进行高温持久性能测试。本发明的合金性能为：室温下的弯曲角为180°；室温抗拉强度不低于1200MPa，屈服强度不低于1050MPa，延伸率不低于8％；600℃下的抗拉强度不低于800MPa，屈服强度不低于650MPa；700℃下的抗拉强度不低于550MPa，屈服强度不低于400MPa；650℃/425MPa条件下，持久断裂时间不低于60min。本发明的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Fe-W-Si合金及合金板材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。下列实施例中的材料均可以通过商业途径购买，其中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
制备Ti-6Al-4.5Sn-4.5Zr-5Mo-0.5Fe-0.5W-0.2Si合金，O含量为0.15wt％，原料为0级海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、Ti-Sn、Ti-Si、Al-Mo、Mo-Fe、Al-Mo-W-Ti中间合金，按照成分重量配比将海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2和中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，在真空自耗电弧炉内经过三次熔炼制备出Ti-6Al-4.5Sn-4.5Zr-5Mo-0.5Fe-0.5W-0.2Si合金铸锭。
用金相法测得铸锭的相变点为965℃。铸锭在1100℃开坯，然后经过中间锻造锻成板坯，锻造加热温度由1050℃逐渐降至1000℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50％；然后对板坯在920℃充分加热后，在轧机上轧制成3mm厚的板材。
将上述制得的板材进行945℃/2h，AC(空冷)固溶处理。从热处理后的板材上取实验样品进行力学性能的测试。弯曲角性能测试按照GB/T 232-2010《金属材料弯曲试验方法》进行室温弯曲试验；室温拉伸性能测试是在MTS万能拉伸试验机上进行，采用YYU-10/50型电子引伸计，试验标准依据GB/T 228.2-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，屈服前和屈服后的拉伸速度均为2mm/min。高温拉伸性能测试是在配有高温拉伸炉的MTS万能拉伸实验机上进行，采用Epsilon 3348-036M-050型高温拉伸引伸计，试验标准依据GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》，试验温度为600℃和700℃，屈服前的拉伸速度为0.3mm/min，屈服后为2mm/min。高温持久性能测试在RD2-3型持久试验机上进行，试验条件为650℃/425MPa，试验标准依据GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》。所测材料性能如表2所示。
表2Ti-6Al-4.5Sn-4.5Zr-5Mo-0.5Fe-0.5W-0.2Si合金板材力学性能
实施例2
制备Ti-8Al-2Sn-3Zr-0.5Mo-2Fe-2W-0.5Si合金，O含量为0.25wt％，原料为0级海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、Ti-Sn、Ti-Si、Al-Mo、Mo-Fe、Al-Mo-W-Ti中间合金，按照成分重量配比将海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、和中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，在真空自耗电弧炉内通过三次熔炼制备出Ti-8Al-2Sn-3Zr-0.5Mo-2Fe-2W-0.5Si合金铸锭。
用金相法测得铸锭的相变点为990℃。铸锭在1130℃开坯，然后经过中间锻造锻成板坯，锻造加热温度由1080℃逐渐降至1030℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50％；然后对板坯在940℃充分加热后，在轧机上轧制成2.5mm厚的板材。
将上述制得的板材进行970℃/2h，AC固溶处理。从热处理后的板材上取实验样品进行力学性能的测试。弯曲角性能测试按照GB/T 232-2010《金属材料弯曲试验方法》进行室温弯曲试验；室温拉伸性能测试是在MTS万能拉伸试验机上进行，采用YYU-10/50型电子引伸计，试验标准依据GB/T 228.2-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，屈服前和屈服后的拉伸速度均为2mm/min。高温拉伸性能测试是在配有高温拉伸炉的MTS万能拉伸实验机上进行，采用Epsilon 3348-036M-050型高温拉伸引伸计，试验标准依据GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》，试验温度为600℃和700℃，屈服前的拉伸速度为0.3mm/min，屈服后为2mm/min。高温持久性能测试在RD2-3型持久试验机上进行，试验条件为650℃/425MPa，试验标准依据GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》。所测材料性能如表3所示。
表3Ti-6Al-4.5Sn-4.5Zr-0.5Mo-2Fe-2W-0.2Si合金板材力学性能
实施例3
制备Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-4Mo-1Fe-1W-0.2Si合金，O含量为0.2wt％,原料为0级海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、Ti-Sn、Ti-Si、Al-Mo、Mo-Fe、Al-Mo-W-Ti中间合金，按照成分重量配比将海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、和中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，在真空自耗电弧炉内通过三次熔炼制备出Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-4Mo-1Fe-1W-0.2Si合金铸锭。
用金相法测得铸锭的相变点为970℃。铸锭在1110℃开坯，然后经过中间锻造锻成板坯，锻造加热温度由1070℃逐渐降至1020℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50％；然后对板坯在920℃充分加热后，在轧机上轧制成2.5mm厚的板材。
将上述制得的板材进行950℃/2h，AC固溶处理。从热处理后的板材上取实验样品进行力学性能的测试。弯曲角性能测试按照GB/T 232-2010《金属材料弯曲试验方法》进行室温弯曲试验；室温拉伸性能测试是在MTS万能拉伸试验机上进行，采用YYU-10/50型电子引伸计，试验标准依据GB/T 228.2-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，屈服前和屈服后的拉伸速度均为2mm/min。高温拉伸性能测试是在配有高温拉伸炉的MTS万能拉伸实验机上进行，采用Epsilon 3348-036M-050型高温拉伸引伸计，试验标准依据GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》，试验温度为600℃和700℃，屈服前的拉伸速度为0.3mm/min，屈服后为2mm/min。高温持久性能测试在RD2-3型持久试验机上进行，试验条件为650℃/425MPa，试验标准依据GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》。所测材料性能如表4所示。
表4Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-4Mo-1Fe-1W-0.2Si合金板材力学性能
实施例4
制备Ti-6Al-2Sn-4Zr-1Mo-0.5Fe-0.5W-0.2Si合金，O含量为0.25wt％，原料为0级海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、Ti-Sn、Ti-Si、Al-Mo、Mo-Fe、Al-Mo-W-Ti中间合金，按照成分重量配比将海绵Ti、海绵Zr、金属Al豆、TiO2、和中间合金称量完毕后进行分层布料，压制成电极，在真空自耗电弧炉内通过三次熔炼制备出Ti-6Al-2Sn-4Zr-1Mo-0.5Fe-0.5W-0.2Si合金铸锭。
用金相法测得铸锭的相变点为1030℃。铸锭在1150℃开坯，然后经过中间锻造锻成板坯，锻造加热温度由1110℃逐渐降至1050℃，中间锻造3火次完成，每火次变形量不低于50％；然后对板坯在980℃充分加热后，在轧机上轧制成2.5mm厚的板材。
将上述制得的板材进行1010℃/2h，AC固溶处理。从热处理后的板材上取实验样品进行力学性能的测试。弯曲角性能测试按照GB/T 232-2010《金属材料弯曲试验方法》进行室温弯曲试验；室温拉伸性能测试是在MTS万能拉伸试验机上进行，采用YYU-10/50型电子引伸计，试验标准依据GB/T 228.2-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，屈服前和屈服后的拉伸速度均为2mm/min。高温拉伸性能测试是在配有高温拉伸炉的MTS万能拉伸实验机上进行，采用Epsilon 3348-036M-050型高温拉伸引伸计，试验标准依据GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》，试验温度为600℃和700℃，屈服前的拉伸速度为0.3mm/min，屈服后为2mm/min。高温持久性能测试在RD2-3型持久试验机上进行，试验条件为650℃/425MPa，试验标准依据GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》。所测材料性能如表5所示。
表5Ti-6Al-2Sn-4Zr-1Mo-0.5Fe-0.5W-0.2Si合金板材力学性能
上述钛合金中杂质元素的含量(重量百分比)为：O：0.15～0.25％，N＜0.01％，H＜0.0015％，C＜0.05％。
本发明的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Fe-W-Si合金及合金板材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。