一种低成本600~650℃耐热钛合金及其制备方法与流程

本发明属于低成本耐热钛合金成分设计、制备及成品加工应用，尤其涉及一种低成本600~650℃耐热钛合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着航空发动机推重比提高和高温承载部件轻量化需求增强，压气机盘、压气机叶片、整体叶盘、高温紧固件、承力框架及飞机高温承载结构件等部位对钛合金材料的服役温度、高温强度、组织稳定性和长期服役可靠性提出了更高要求。

2、目前工程应用和研究较多的耐热钛合金包括tc4、tc11、ta19、imi834、ti60和ti65等。其中，tc4耐热能力有限，tc11和ta19等中高温钛合金在600 ℃以上服役时性能储备不足，imi834等近α型耐热钛合金在600～650 ℃服役条件下仍需进一步提高高温性能和抗氧化能力。

3、ti60、ti65等更高服役温度等级的耐热钛合金虽然具有较好的高温服役潜力，但部分合金体系含有较为贵重的合金元素，这类合金中添加了较高含量的ta等贵重元素，导致合金化原料成本较高，增加了大规格铸锭制备和批量化应用的成本压力。

4、此外，传统含ta耐热钛合金的加工窗口比较窄，尤其是含w钛合金热变形抗力较高、终锻过程容易产生开裂倾向，进一步制约了其工程化推广。

5、因此，现有钛合金体系在室温强塑性、中温服役性能、高温组织稳定性和制造成本之间仍难以实现良好平衡。特别是面向600~650 ℃服役条件的高温承载构件，现有耐热钛合金仍存在成本较高、合金元素利用效率不足、热加工窗口较窄以及工程推广受限等问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，实现耐热钛合金低成本化并保持其特定极端载荷下的服役性能，本发明提出了一种低成本600~650℃耐热钛合金及其制备方法；技术方案如下：

2、一种低成本600~650 ℃耐热钛合金，按重量百分比计，所述钛合金成分包括：al：5.4%~6.3%，sn：3.0%~5.0%，zr：2.5%~4.5%，mo：0.20%~0.80%，nb：0.20%~1.00%，w：0.20%~2.0%，si：0.20%~0.60%，c：0.01%~0.08%，o≤0.15%，fe≤0.05%，n≤0.05%，h≤0.015%，余量为ti及不可避免的杂质元素；所述钛合金中不主动添加ta元素，以w元素替代含ta耐热钛合金中的ta元素；以降低ta元素使用带来的原材料成本，同时维持合金在600~650 ℃条件下所需的高温强度和组织稳定性。

3、所述的低成本600~650℃耐热钛合金，其优选方案，按重量百分比计，所述钛合金中w含量为0.20%~1.10%。

4、所述的低成本600~650℃耐热钛合金，其优选方案，相较于ta含量为1.00%~1.50%的600~650℃耐热钛合金，在原料纯度、采购时点和制备质量相同的条件下，所述低成本600~650℃耐热钛合金的合金化原料成本较含ta耐热钛合金降低100~150元/kg；所述原料成本不包括熔炼、锻造、热处理及机械加工费用。

5、一种低成本600~650 ℃耐热钛合金的制备，包括如下步骤：

6、s1：铸锭熔炼；

7、按照预设合金成分称取各原料，基体原料采用0~1级海绵钛，sn、mo、nb、si和w元素分别以含有所述元素的中间合金形式加入，zr元素以海绵zr形式加入，c元素以碳粉形式加入，由中间合金带入后仍不足的al元素采用纯al补足；将各原料混合均匀后压制成电极块，并将若干所述电极块组焊形成组合自耗电极；将所述组合自耗电极置于真空自耗电弧炉中熔炼3~4次，获得钛合金铸锭。

8、s2：β相区开坯锻造；

9、对步骤s1所得钛合金铸锭进行表面处理，将处理后的钛合金铸锭加热至其β相变点以上30~120 ℃，保温1~6 h后进行β相区开坯锻造，锻后空冷。

10、将钛合金铸锭加热至其β相变点以上60~100 ℃进行开坯锻造，单道次压下量为15%~30%，单火次变形量为35%~60%。

11、s3：α+β两相区多向镦拔；

12、将步骤s2所得坯料加热至其β相变点以下20~80 ℃，进行多火次、多方向镦拔变形，锻后空冷至室温。所述多火次、多方向镦拔变形至少包括两个火次，且各火次的锻造温度随火次增加依次降低。

13、s4：终锻成形；

14、将步骤s3所得坯料加热至其β相变点以下30~100 ℃，进行终锻或精锻，锻后空冷，获得热加工态坯料。

15、所述终锻或精锻采用多道次小变形方式完成，单道次压下量为5%~12%，累计变形量为20%~40%，以降低含w钛合金终锻过程中的开裂倾向。

16、s5：热处理；

17、对步骤s4所得热加工态坯料依次进行固溶处理和时效处理，获得低成本600~650℃耐热钛合金成品。

18、所述固溶处理的温度为β相变点以下10～50 ℃，保温1～4 h，固溶处理后空冷、风冷或水冷；时效处理温度为620～680 ℃，保温4～12 h，时效处理后空冷、风冷或水冷。

19、有益效果：

20、本发明在al-sn-zr-mo-nb-si-c系近α型耐热钛合金基础上，不以ta作为主动添加的合金化元素，而通过适量w元素与al、sn、zr、mo、nb、si、c等元素的协同设计，减少对高成本ta元素的依赖，有利于降低600～650 ℃耐热钛合金的合金化原料成本。相较于ta含量为1.00%~1.50%的600~650℃耐热钛合金，本发明的合金化原料成本可降低100~150元/kg。

21、第二，本发明通过w元素替代含ta耐热钛合金中的ta元素，使合金在低成本化的同时仍保持较好的高温强度和组织稳定性，适用于600~650 ℃高温承载构件的材料需求。

22、第三，本发明针对含w钛合金热变形抗力较高、终锻过程容易产生开裂倾向的问题，采用β相区开坯、α+β两相区多向镦拔以及多道次小变形终锻相结合的热加工方式，有利于降低含w钛合金终锻过程中的开裂倾向；上述加工方式的协同作用有利于改善铸态组织不均匀性，提高坯料热加工成形稳定性。

23、第四，本发明通过固溶处理和时效处理，使合金获得适用于高温服役的稳定组织状态，从而使所述钛合金兼具较低成本、较好热加工适应性和600~650 ℃耐热应用潜力。

1.一种低成本600~650℃耐热钛合金，其特征在于，按重量百分比计，所述钛合金的化学成分为：al：5.4%~6.3%，sn：3.0%~5.0%，zr：2.5%~4.5%，mo：0.20%~0.80%，nb：0.20%~1.00%，w：0.20%~2.0%，si：0.20%~0.60%，c：0.01%~0.08%，o≤0.15%，fe≤0.05%，n≤0.05%，h≤0.015%，余量为ti及不可避免的杂质元素；所述钛合金中不主动添加ta元素，以w元素替代含ta耐热钛合金中的ta元素。

2.根据权利要求1所述的低成本600~650℃耐热钛合金，其特征在于，按重量百分比计，所述钛合金中w含量为0.20%~1.10%。

3.根据权利要求1-2任一项所述的低成本600~650℃耐热钛合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的低成本600~650℃耐热钛合金的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，对所得钛合金铸锭进行表面处理，将所述钛合金铸锭加热至其β相变点以上60~100℃进行开坯锻造，单道次压下量为15%~30%，单火次变形量为35%~60%。

5.根据权利要求3所述的低成本600~650℃耐热钛合金的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，所述多火次、多方向镦拔变形至少包括两个火次，且各火次的锻造温度随火次增加依次降低。

6.根据权利要求3所述的低成本600~650℃耐热钛合金的制备方法，其特征在于，在步骤s4中，所述终锻或精锻采用多道次小变形方式完成，单道次压下量为5%~12%，累计变形量为20%~40%。

7.根据权利要求3所述的低成本600～650 ℃耐热钛合金的制备方法，其特征在于，在步骤s5中，所述固溶处理的温度为β相变点以下10～50 ℃，保温1～4 h，固溶处理后采用空冷、风冷或水冷；所述时效处理温度为620～680 ℃，保温4～12 h，时效处理后采用空冷、风冷或水冷。

8.根据权利要求3所述的低成本600～650 ℃耐热钛合金的制备方法，其特征在于，采用该制备方法所得的钛合金用于制备航空发动机压气机盘、压气机叶片、整体叶盘、高温紧固件、发动机承力框架、机匣连接件、飞机高温承载结构件和燃气轮机高温承载构件中的至少一种。