一种耐650℃高温钛合金材料及其制备方法技术

一种耐650℃高温钛合金材料及其制备方法，属于钛合金材料领域。按质量百分比由Al:6％～7％，Sn:2％～3％，Zr:8％～10％，Mo:0.4％～1％，Nb:0.5％～1.2％，W:0.5％～1.2％，Si:0.2％～0.4％，Er:0.1％～0.3％和余量的Ti制成。制备方法为配料、熔炼、铸造和等温锻造，最终得到新型高温钛合金材料。本发明专利技术制备的高温钛合金在650℃条件下的抗拉强度可达672.6MPa，屈服强度为538.9MPa，延伸率为22.9％，同时具有优异的室温强度和塑性，展现出优异的服役性能，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型耐650℃高温钛合金材料及其制备方法，属于钛合金材料领域。
技术介绍
高温钛合金因密度低、比强度高、耐高温和可焊性等优点在航空航天领域得到广泛应用，主要用于飞机发动机的风扇、压气机盘、叶片、机匣、连接环等。航空发动机部件在高温、复杂应力、气流冲刷、高速振动、环境应力腐蚀的苛刻环境下服役，对其材料的性能要求非常严格。为满足使用需求，高温钛合金需具有强度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能之间的良好匹配，在服役温度下具有高的抗氧化性和组织稳定性。目前高温钛合金的使用温度只能达到600℃，其中有美国的Ti-1100、英国的IMI834、俄罗斯的BT36和中国的Ti60、Ti600，它们都是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金的延伸。发展耐650℃及以上温度的高温钛合金，对提高航空发动机的推重比具有重要的意义。目前，国内对于650℃以上高温钛合金的研究多集中在高温短时应用方面，如中科院金属所、宝钛集团和航天三院等。因此，十分有必要加强对650℃及以上温度的高温钛合金的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有方法制备的高温钛合金在650℃使用时强度和塑性差的问题，提供一种新型耐650℃高温钛合金材料及其制备方法。本专利技术的一种耐650℃高温钛合金材料，其特征在于，按质量百分比由Al:6％～7％，Sn:2％～3％，Zr:8％～10％，Mo:0.4％～1％，Nb:0.5％～1.2％，W:0.5％～1.2％，Si:0.2％～0.4％，Er:0.1％～0.3％和余量的Ti制成。上述成分优选按质量百分比由Al:6.5％，Sn:2.5％，Zr:9％，Mo:0.5％，Nb:1％，W:1％，Si:0.25％，Er:0.1％和余量的Ti制成。上述耐650℃高温钛合金材料的制备方法按以下步骤进行：(1)、以零级海绵钛、高纯铝、海绵锆、高纯硅以及TiSn、AlMo、AlNb、AlW、AlEr中间合金为原材料，进行称重，将称取的原材料在模具中进行压制，压制成圆柱形坯料，以利于后期的熔炼制备，将压制好的坯料放入电阻炉中加热(优选100℃左右)，以除去坯料的潮气；(2)、采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉制备合金铸锭，将压制好的圆柱形坯料放入坩埚中，对熔炼炉进行抽真空，真空度达到10-3Pa，然后向炉中冲入氩气，在氩气保护下进行熔炼，熔炼功率为150～180kw，通过电流感应磁场搅拌混合熔体，熔体悬浮时间为60～90s，为保证合金成分的准确性和均匀性，铸锭需熔炼三次后再进行下一步的浇注。(3)、在氩气保护下，将步骤(2)中第三次熔化后的合金熔液浇注到预热温度为200～300℃的圆柱形模具内，冷却后得到合金铸锭；(4)、将步骤(3)得到的合金铸锭切去补缩冒口，得到圆柱形铸锭；(5)、将步骤(4)得到的圆柱形铸锭进行等温锻造，得到合金锻饼，具体的操作步骤为：①将步骤(4)得到的圆柱形铸锭表面喷涂一层防氧化涂料，防止铸锭在加热和锻造过程中过度氧化；②将经步骤①处理的合金铸锭四周裹一层保温棉，防止在加热后转运及锻造过程中铸锭温度下降过多；③将加热炉升温到1000～1200℃，到温将步骤②处理后的合金铸锭装炉，并在该温度下保温20～50min；④将经步骤③预热后的合金铸锭转运到锻造设备上进行等温锻造，应变速率为0.01s-1，变形量为60％～80％，锻后空冷至室温。优选步骤(1)中压制坯料时的放料顺序为海绵钛、高纯铝块、高纯硅、海绵锆、海绵钛、TiSn、AlMo、AlNb、AlW、AlEr、海绵锆、海绵钛。步骤(2)中合金第一、二次熔化后在坩埚内冷却，不进行浇注，冷却结束后翻转铸锭重新放回坩埚内，进行下一次重熔，以确保合金成分的准确和均匀。步骤(5)的③步骤中铸锭的预热温度为1050℃，并在该温度下保温40min。步骤(5)的④步骤中合金经等温锻造后的变形量为78.7％。本专利技术通过对高温钛合金进行成分设计及优化，在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型钛合金的基础上，适当提高Al的含量，最大限度地发挥Al的固溶强化作用，同时避免因过量的Al引起合金的脆化。提高Zr元素的含量，促进硅化物的均匀分布。添加适量的W和Nb两种高熔点的β稳定元素，并且加入了稀土元素Er，制备得到耐650℃高温钛合金材料。本专利技术制备的高温钛合金在室温和650℃高温条件下均具有较高的强度和塑性，室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别可达到1092.3MPa、958.4MPa和15.4％，650℃条件下抗拉强度、屈服强度和延伸率分别可达到672.6MPa、538.9MPa和22.9％，综合性能优异，具有广阔的应用前景。附图说明图1是高温钛合金铸态显微组织；图2是高温钛合金等温锻造后的显微组织；图3是锻态高温钛合金在室温和高温(650℃)拉伸的应力应变曲线。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1本实施方式的一种新型耐650℃高温钛合金材料按质量百分比由Al:6.5％，Sn:2.5％，Zr:9％，Mo:0.5％，Nb:1％，W:1％，Si:0.25％，Er:0.1％和余量的Ti制成。本实施方式的一种新型耐650℃高温钛合金材料的制备方法按以下步骤进行：一、以零级海绵钛、高纯铝、海绵锆、高纯硅以及TiSn、AlMo、AlNb、AlW、AlEr中间合金为原材料，进行称重，将称取的原材料在模具中进行压制，压制成圆柱形坯料，以利于后期的熔炼制备。将压制好的坯料放入电阻炉中加热到100℃左右，以除去坯料的潮气。二、采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉制备合金铸锭。将压制好的坯料放入坩埚中，对熔炼炉进行抽真空，真空度达到10-3Pa。然后向炉中冲入氩气，在氩气保护下进行熔炼。熔炼功率为150～180kw，通过电流感应磁场搅拌混合熔体，熔体悬浮时间为60～90s。为保证合金成分的准确性和均匀性，每个铸锭需熔炼三次后再进行浇注。三、在氩气保护下，将步骤二中第三次熔化后的合金熔液浇注到预热温度为200～300℃的圆柱形模具内，冷却后得到合金铸锭。四、将步骤三得到的合金铸锭切去补缩冒口，得到圆柱形铸锭，其铸态显微组织如附图1所示。五、将步骤四得到的合金铸锭进行等温锻造，得到合金锻饼。具体的操作步骤为：①将步骤四得到的合金铸锭表面喷涂一层防氧化涂料，防止铸锭在加热和锻造过程中过度氧化；②将经步骤①处理的合金铸锭四周裹一层保温棉，防止在加热后转运及锻造过程中铸锭温度下降过多；③将加热炉升温到1000～1200℃，到温将步骤②处理后的铸锭装炉，并在该温度下保温20～50min；④将经步骤③预热后的铸锭转运到锻造设备上进行等温锻造，应变速率为0.01s-1，变形量为60％～80％，锻后空冷至室温，其锻态显微组织如附图2所示。对实施例1步骤五获得的高温钛合金进行力学性能测试，测试其在室温和650℃条件下的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率，其拉伸的应力应变曲线如附图3所示，其力学性能数据如表1所示，从表中可以看出高温钛合金在室温和650℃高温条件下均具有较高的强度和塑性，综合性能优异，具有广阔的应用前景。表1锻态高温钛合金在室温和高温(650℃)条件下的力学性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐650℃高温钛合金材料，其特征在于，按质量百分比由Al:6％～7％，Sn:2％～3％，Zr:8％～10％，Mo:0.4％～1％，Nb:0.5％～1.2％，W:0.5％～1.2％，Si:0.2％～0.4％，Er:0.1％～0.3％和余量的Ti制成。

【技术特征摘要】
1.一种耐650℃高温钛合金材料，其特征在于，按质量百分比由Al:6％～7％，Sn:2％～3％，Zr:8％～10％，Mo:0.4％～1％，Nb:0.5％～1.2％，W:0.5％～1.2％，Si:0.2％～0.4％，Er:0.1％～0.3％和余量的Ti制成。2.按照权利要求1所述的一种耐650℃高温钛合金材料，其特征在于，按质量百分比由Al:6.5％，Sn:2.5％，Zr:9％，Mo:0.5％，Nb:1％，W:1％，Si:0.25％，Er:0.1％和余量的Ti制成。3.制备权利要求1或2的耐650℃高温钛合金材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、以零级海绵钛、高纯铝、海绵锆、高纯硅以及TiSn、AlMo、AlNb、AlW、AlEr中间合金为原材料，进行称重，将称取的原材料在模具中进行压制，压制成圆柱形坯料，以利于后期的熔炼制备，将压制好的坯料放入电阻炉中加热，以除去坯料的潮气；(2)、采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉制备合金铸锭，将压制好的圆柱形坯料放入坩埚中，对熔炼炉进行抽真空，真空度达到10-3Pa，然后向炉中冲入氩气，在氩气保护下进行熔炼，熔炼功率为150～180kw，通过电流感应磁场搅拌混合熔体，熔体悬浮时间为60～90s，铸锭需熔炼三次后再进行下一步的浇注；(3)、在氩气保护下，将步骤(2)中第三次熔化后的合金熔液浇注到预热温度为200～300℃的圆柱形模具内，冷却后...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈子勇，李涛，柴丽华，石少辉，李丹丹，崔永双，史国栋，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11