一种高硅高温钛合金及其制备方法转让专利
申请号 : CN202010062951.7
文献号 : CN111172425B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 刘彬 , 郭锐 , 刘咏
申请人 : 中南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种高硅高温钛合金的制备方法,其特征在于,包括如下步骤;按设计比例配取钛源、铝源、锆源、锡源、钼源、硅源粉末,混合获得混合粉末,将混合粉末压制成型获得压坯,压坯进行烧结获得烧结钛合金坯料,将烧结钛合金坯料进行热加工、退火即得高硅高温钛合金;
所述高温钛合金的化学组成为:Si:0.4~1.2%,Al:5.0~6.5%,Zr:3.5~6.5%,Sn:3~5%,Mo:0.3~1%,余量为Ti;
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所述烧结在真空气氛下进行,真空度>1×10 Pa,烧结温度为1300~1400℃,保温时间为120~180min;
所述热加工为多道次热轧或煅烧处理,道次间进行退火处理,所述热加工的预热温度为900~1000℃,预热时间为30~60min,热加工单次变形量为10~20%,退火处理的温度为
600~700℃,时间为30~60min,总变形量为70~80%。
2.根据权利要求1所述的一种高硅高温钛合金的制备方法,其特征在于:按质量百分比计,所述高温钛合金的化学组成为:Si:0.6~1%,Al:5.4~6%,Zr:3.8~4%,Sn:3.5~
4%,Mo:0.5~0.7%,余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的一种高硅高温钛合金的制备方法,其特征在于,所述钛源粉末选自钛粉或氢化钛粉;铝源选自铝粉或氢化铝粉,所述锆源选自锆粉或氢化锆粉,所述锡源选自锡粉或氢化锡粉,所述钼源选自钼粉或氢化钼粉,所述硅源选自硅粉。
4.根据权利要求1所述的一种高硅高温钛合金的制备方法,其特征在于,所述混合在氩气气氛下于混料机中进行,混合时间为4~8h。
5.根据权利要求1所述的一种高硅高温钛合金的制备方法,其特征在于,所述压制成型的方式为冷等静压成型,所述压制成型的压力为200~250MPa,保压时间为10~15min。
6.根据权利要求1所述的一种高硅高温钛合金的制备方法,其特征在于,所述烧结程序为:先升温至600~700℃,保温90~120min,然后升温到950~1050℃,保温30~60min,再继续升温至1300~1400℃,保温120~180min,然后炉冷。
7.根据权利要求1所述的一种高硅高温钛合金的制备方法,其特征在于,所述退火的温度为500~600℃,时间为2~5h。
说明书 :
一种高硅高温钛合金及其制备方法
技术领域
背景技术
研究水平和航空技术发展水平的重要标准。随着航空航天行业的发展,对具有能耐更高温
度的高温钛合金需求也不断增加。目前,限制高温钛合金发展的主要问题是高温下蠕变抗
力和高温抗氧化性不够,使得600℃以上高温钛合金成为了发展的瓶颈,我国目前在开发的
使用温度为600℃的钛合金Ti60和Ti600都还处于研究阶段。
金中,Si元素是一种重要的合金化元素,因为Si能显著的提高钛合金的抗蠕变性能,现存几
乎所有高温钛合金中都含有一定量的Si元素。Si在钛合金中主要以固溶态或硅化物的形式
存在。固溶态Si与位错能够相互吸引,在位错处发生偏聚,形成柯氏气团,阻碍位错攀移,提
高合金高温蠕变性能。当Si含量超过其在α‑Ti中的最大固溶度时,硅化物析出,析出的硅化
物会阻碍位错和晶界的滑移,也可提高合金抗蠕变性能。现有的高温钛合金的Si含量一般
都控制在0.45%以下(Si主要是以固溶形式存在),原因是一般认为当Si含量超过0.45%
后,因其在α相和β相溶解度的差异使得析出的硅化物很难分布均匀,且尺寸粗大,使得钛合
金的塑性和高温持久蠕变性能均会显著降低,如果能在提高Si含量的同时(>0.45%),获得
均匀细小的硅化物相,则有可能大幅提高高温钛合金的蠕变性能。
方法制备了高温钛合金坯体,最后采用等温锻造法消除钛合金残留孔隙,破碎粗大硅化物,
实现硅化物的细小、弥散分布,获得了较好的高温力学性能,然而该专利制备成本高,另外
一方面其还是适用600℃以下使用【说明书009段】,同时该专利所得高温钛合金在室温下延
伸率过低,室温塑性不足。
发明内容
应用于600℃以上温度。
行烧结获得烧结钛合金坯料,将烧结钛合金坯料进行热加工、退火即得高硅高温钛合金。
所述硅源选自硅粉。
素充分混合均匀。
冷。
度,然后在950~1050℃保温对合金进行预烧结,在此处保温可以避免钛合金坯料部份区域
出现元素的偏聚,最终通过1300~1400℃烧结获得烧结钛合金坯料,可实现钛合金坯料的
充分致密化,均匀化。
变形量为70~80%,退火处理的温度为600~700℃,时间为30~60min。
中,通过控制预热温度,可以保证钛合金坯料的变形加工性能,同时保证获得所需的微观组
织,若预热温度过低,变形抗力较大,钛合金坯料在加工过程中容易开裂,轧辊磨损也严重;
预热温度过高,钛合金坯料晶粒长大甚至微观组织组成发生变化,影响最终产品的力学性
能。同时发明人发现,在该过程中,总变形量需要有效的控制,若总变形量过小,孔隙无法完
全消除或者第二相粒子不能均匀析出,影响最终产品力学性能;总变形量过大,样品可能出
现开裂。
力,保证材料的塑性,同时可保证产品晶粒细小和第二相颗粒细小,分布均匀。
制备方法简单、成本低廉,所得高温钛合金材料具有优异的高温、低温力学性能。
消除粗大、不均匀的组织。再通过进一步的热加工,调控组织组成,促进硅化物析出相在晶
界以及晶内析出,在室温冷却的过程,促进针状次生α相的形成。最后通过退火处理消除热
加工带来的残余应力,保证产品的塑性。
匀分布的超细Si化物析出相和针状次生α相,细小的针状次生α相可以产生细晶强化的作
用,而超细Si化物析出相通常主要分布在α/β晶界出,对位错和晶界运动产生钉扎作用从而
抵抗高温下变形能力,保证了合金具有良好强韧性及高温稳定性。
能满足700℃高温环境的应用要求。
附图说明
具体实施方式
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料机中并在氩气保护下充分混合6小时,转速为30r/min。将混合粉料填充到d30×300mm的
圆柱状橡胶管中,震动紧实后在200MPa的压力下保压12min进行冷等静压压制成型,制成圆
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柱状压坯。在1300℃,真空度高于1×10 Pa的条件下烧结2h,烧结的具体工艺:室温→
(90min)750℃→(40min)1000℃→(120min)1350℃→(炉冷),得到烧结态棒材。将烧结态棒
材置于电阻炉中加热至950℃保温30min,经多道次轧制后制成厚度为3mm的合金板材,每道
次下压量为0.5mm,轧制总变形量为80%;道次间退火程序为650℃×30min,轧制完成后,冷
却,然后将轧制所得板材在520℃真空环境下去应力退火2h,随炉冷却至室温后得到高Si含
量粉末冶金高温钛合金板材。对所制备的钛合金板材用软质材料包装,置于洁净、干燥环境
下储存。
散射扫描电镜图,可以看到材料内部不存在残留孔隙,且初级α相沿着轧制方向伸长,宽度
为2~5μm,此外,还有一些针状次级α相和超细硅化物析出相均匀分布于合金中。
图2和表1中可知,与传统铸造方法制备的高温钛合金相比,本发明所采用的粉末冶金方法
制备的高Si含量高温钛合金具有更高的室温强度和良好的塑性,在700℃下仍保持较高的
抗拉强度,700℃高温性能接近于传统高温钛合金在600℃下的力学性能。
3
混料机中并在氩气保护下充分混合6小时,转速为30r/min。将混合粉料填充到d30×300mm
的圆柱状橡胶管中,震动紧实后在230MPa的压力下保压10min进行冷等静压压制成型,制成
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圆柱状压坯。在1350℃,真空度小于1×10 Pa的条件下烧结2h,烧结的具体工艺:室温→
(90min)750℃→(30min)1000℃→(120min)1380℃→(炉冷),得到烧结棒材。将烧结态棒材
置于电阻炉中加热至900℃保温30min,经多道次轧制后制成厚度为3mm的合金板材,每道次
下压量为0.5mm,轧制总变形量为80%;道次间退火程序为600℃×30min,轧制完成后,冷
却,然后将轧制所得板材在550℃真空环境下去应力退火2h,随炉冷却至室温后得到高Si含
量粉末冶金高温钛合金板材。对所制备的钛合金板材用软质材料包装,置于洁净、干燥环境
下储存。
50%时,样品发生严重的开裂现象,表面出现较粗的裂纹。
50%。最终产品的孔隙度仍较高并且力学性能大幅度下降。
照优选烧结程序烧结样品相比,孔隙度明显增加,且在部分区域出现元素未完全固溶造成
的偏聚。
例1相同。由于硅的含量过高,影响样品的加工性能,在热轧制过程中,当总变形量达到30%
左右时,样品出现开裂。