一种1400MPa级耐高温钛基多主元合金的制作方法

一种1400mpa级耐高温钛基多主元合金
技术领域
1.本发明属于金属材料技术领域，涉及一种1400mpa级耐高温钛基多主元合金。


背景技术：

2.在航空发动机材料领域，根据风扇、压气机、涡轮等部件服役温度差异，选用不同的结构材料。通常在中低温段(室温～600℃)的风扇和压气机部位主要采用钛合金材料，钛合金的密度在4.4g/cm3～4.6g/cm3，主要部件类型包括盘类、叶片类、机匣类；而在高温段(650℃～1200℃)的涡轮位置则主要使用镍基高温合金材料，镍基合金的密度在8.2g/cm3以上。
3.传统单主元的钛合金最高使用温度在650℃以下，主要受限于其在更高温度下的抗高温氧化性能和高温强度不能满足服役要求。针对航空发动机结构减重的迫切需求，采用轻质耐高温的新型合金替代传统的镍基高温合金意义重大。
4.开发在650℃以上温度使用的钛基合金一直是航空发动机材料研究的重要方向。国内外研究者开发了钛基的金属间化合物，主要包括γ-tial合金、ti3al合金和ti2alnb合金，其中ti3al和ti2alnb合金的主合金元素均为ti、al、nb，其设计使用温度在650℃～750℃，该合金密度在4.8g/cm3～5.4g/cm3，目前性能比较优异的ti2alnb合金中nb含量在22％～25％之间，nb元素的原材料成本较高，造成了合金制备成本高，同时，过高的nb含量使得该类合金在800℃以上温度不能达到完全抗氧化级别，故很难在更高温度服役，该类合金在国内外尚未获得应用，国内处于应用研究阶段。γ-tial合金的服役温度在700℃～850℃之间，主合金元素为ti、al，该合金密度在3.9g/cm3～4.2g/cm3，在850℃及以下温度完全抗氧化，已经在国外多型主流航空发动机上获得应用，但是由于其热加工窗口窄造成加工成本高，且室温塑性较差(室温断后伸长率0.5～2.5％)，故其目前只作为低压涡轮或高压压气机叶片部件使用。
5.多主元合金是近10几年来发展出来的一类新型金属结构材料，根据其组成元素和含量的差异，在结构材料、功能材料领域表现出了应用潜力。现有报道中的可用于高温结构中的多主元合金以多主元难熔合金体系为主，一类是抗高温软化性能好，但是合金密度高，例如nbmotaw和vnbmotaw合金，其在1000℃时的压缩屈服强度分别为548mpa和842mpa，但是其密度分别为13.75g/cm3和12.36g/cm3；另一类是低密度多主元合金，例如，nbtivzr合金，其密度为6.5g/cm3，600℃的压缩屈服强度834mpa，但是其在600℃不具有抗氧化性，因此也难于在高温环境应用。
6.基于现有钛合金、钛基金属间化合物的分析和大量其它体系合金的公开报道，结合当前空天领域对低密度、超高强合金的需求，发现目前钛基合金的强度水平有待进一步提高，同时在650℃～800℃范围内，缺少一种可以在该温度段同时具有低密度、优异抗氧化性能、力学性能优异的高温结构材料。在航空发动机结构减重的大背景下，亟待开发新型轻质、耐高温结构材料。
7.本专利提出的材料是针对航空航天等高温环境应用条件开发的，其可以作为传统
镍基合金的替代材料，实现明显的结构减重效果。


技术实现要素：

8.本发明的目的是：针对现有钛基合金在650℃以上抗氧化性能差和高温下强度水平不足的问题，旨在设计一种超高强(≥1400mpa)、耐高温(800℃以下)、强度塑性匹配、低密度(4.8g/cm3～5.2g/cm3)等性能兼备的钛基多主元合金。作为航空航天备选的高温结构材料，实现显著的结构减重。
9.为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
10.一种1400mpa级耐高温钛基多主元合金，所述的多主元合金材料按质量分数为：al含量6.2％～7.29％、zr含量38.0％～39.8％、hf含量0.5％～3.5％、si含量0.08％～0.5％、c与o之和含量0.05～0.2％、sn含量0～2％、nb含量0～2％，余量为钛和不可避免的杂质。
11.所述的1400mpa级耐高温钛基多主元合金，可在航空航天领域的高温结构部件上应用。
12.优选地，所述的多主元合金按质量分数含有：al含量7.0％～7.22％、zr含量39.0％～39.8％、hf含量0.9％～2.0％、si含量0.1％～0.3％、c与o之和含量0.1～0.2％、sn含量0～2％、nb含量0～2％，余量为钛和不可避免的杂质。
13.优选地，所述的多主元合金按质量分数含有：al含量7.2％、zr含量39.5％、hf含量1％、si含量0.15％、c与o之和含量0.05～0.2％，sn含量2％、nb含量2％，余量为钛和不可避免的杂质。
14.优选地，所述的多主元合金按质量分数含有：al含量7.2％、zr含量39.5％、hf含量1％、si含量0.15％、c与o之和含量0.05～0.2％，余量为钛和不可避免的杂质。
15.优选地，所述的多主元合金按质量分数含有：al含量7.0％、zr含量39.0％、hf含量1％、si含量0.08％、c与o之和含量0.2％，余量为钛和不可避免的杂质。
16.另一方面，本发明提供了一种基于前述1400mpa级耐高温钛基多主元合金的制备方法，包括以下步骤：
17.步骤1：按照获得重量铸锭配置原材料，准确称取各原材料；
18.步骤2：原材料完全放入电极模具后，压制电极；
19.步骤3：采取炉内焊接的方式进行电极组焊，四支电极为一组；
20.步骤4：熔炼真空度＜0.5pa，熔炼电流根据锭型尺寸控制在3ka～6ka范围内，熔炼电压25～35v；
21.步骤5：重复步骤4三次后，炉内冷却120分钟，出炉获得合金铸锭；
22.步骤6：将合金铸锭进行5火次自由锻造，温度分别为1100℃～750℃，锻后获得棒材，棒材组织为等轴α晶粒；
23.所述钛基多主元合金的制备采用热机械处理方法制备的棒材或板材，其室温强度在1400mpa以上，断后伸长率达到5％以上，650℃强度保持在800mpa以上。
24.优选地，所述棒材的制备包括以下步骤：(a)依次在β单相区、α β两相区、α相区锻造，锻造后获得等轴α组织的棒材；(b)在β单相区进行挤压加工，挤压比在6-9之间，获得具有网篮组织的棒材。
25.优选地，所述板材的制备包括以下步骤：(a)依次在β单相区、α β两相区、α相区锻造，锻造后获得等轴α组织的板坯；(b)在α相区热轧，轧制变形量达到90％以上，获得具有强织构的板材；(c)在β单相区或α β两相区热处理。
26.本发明的有益效果是：
27.(1)本发明提供的1400mpa级耐高温钛基多主元合金，密度在4.8g/cm3～5.2g/cm3范围内，比传统的相同使用温度的镍基高温合金密度低30％以上，对于结构减重效果显著。
28.(2)本发明提供的1400mpa级耐高温钛基多主元合金，可通过采用通用的熔炼、锻造和挤压设备进行加工，易于工业化生产。加工制备成本与传统钛合金相近，明显优于钛基金属间化合物。
29.(3)本发明提供的1400mpa级耐高温钛基多主元合金通过ti、al、zr、hf、si、c和o等元素的综合控制，使其室温强度在1400mpa以上，断后伸长率达到5％以上，650℃强度保持在800mpa以上。室温强度塑性匹配和高温强度优于现有钛基合金，能够满足空天领域结构件的室温高温服役要求。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为实施例1、2合金与ti-40％zr-7％al合金抗氧化性能对比图。
32.图2为实施例1、2合金与in718合金比强度对比。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
35.在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
36.实施例1：
37.1400mpa级耐高温钛基多主元合金，按质量分数含有：7.2％al、39.5％zr、1％hf、0.15％si、0.15％c o、2％sn、2％nb，余量为ti和不可避免的杂质，原材料采用了零级海绵钛、99.99％的zr、a00级高纯铝、99.99％的hf、碳粉、tisn中间合金、tinb中间合金等。
38.本实施例的钛基多主元合金材料通过下述步骤制备：
39.步骤(1)：按照获得重量50kg铸锭配置原材料，准确称取各原材料；
40.步骤(2)：原材料完全放入电极模具后，压制电极；
41.步骤(3)：采取炉内焊接的方式进行电极组焊，四支电极为一组；
42.步骤(4)：熔炼真空度＜0.5pa，熔炼电流根据锭型尺寸控制在3ka～6ka范围内，熔炼电压25～35v；
43.步骤(5)：重复步骤(4)三次后，炉内冷却120分钟，出炉获得合金铸锭；
44.步骤(6)：将合金铸锭进行5火次自由锻造，温度分别为1100℃～750℃，锻后获得120mm棒材，棒材组织为等轴α晶粒；
45.步骤(7)：将棒材在950℃挤压加工，挤压比为7，制备了直径为45mm的具有网篮组织的棒材。
46.经测试，合金的密度为5.1g/cm3。棒材轴向取拉伸试样进行力学性能测试，测试结果见表1。
47.表1实施例1的拉伸性能
48.测试温度σ
0.2
(mpa)σb(mpa)a(％)23℃157014905.5650℃9007808.0
49.实施例2：
50.1400mpa级耐高温钛基多主元合金，按质量分数含有：7％al、39％zr、1％hf、0.08％si、0.2％c o、2％sn、2％nb，余量为ti和不可避免的杂质，原材料采用了零级海绵钛、99.99％的zr、a00级高纯铝、99.99％的hf、碳粉。
51.al含量7.0％、zr含量39.0％、hf含量1％、si含量0.08％、c与o之和含量0.2％
52.本实施例的钛基多主元合金材料通过下述步骤制备：
53.步骤(1)：按照获得重量50kg铸锭配置原材料，准确称取各原材料；
54.步骤(2)：原材料完全放入电极模具后，压制电极；
55.步骤(3)：采取炉内焊接的方式进行电极组焊，四支电极为一组；
56.步骤(4)：熔炼真空度＜0.5pa，熔炼电流根据锭型尺寸控制在3ka～6ka范围内，熔炼电压25～35v；
57.步骤(5)：重复步骤(4)三次后，炉内冷却120分钟，出炉获得合金铸锭；
58.步骤(6)：将合金铸锭进行5火次自由锻造，温度分别为1100℃～750℃，锻后获得截面尺寸为80mm
×
120mm的方形截面棒材，棒材组织为等轴α晶粒；
59.步骤(7)：将棒材在875℃热轧，轧制变形量90％，制备了厚度为7mm的具有网篮组织的板材。
60.经测试，合金的密度为4.9g/cm3。棒材轴向取拉伸试样进行力学性能测试，测试结果见表2。
61.表2实施例2的拉伸性能
62.测试温度σ
0.2
(mpa)σb(mpa)a(％)23℃145013206.0650℃85072010.0
63.图1是实施例1和实施例2与ti-40％zr-7％al合金抗氧化性能对比图。其中实施例
1在800℃保温5小时后单位面积氧化增重量为2.5mg/cm2，实施例2在相同条件下的单位面积氧化增重量为4.0mg/cm2，ti-40％zr-7％al合金在相同条件下的单位面积氧化增重量为30.5mg/cm2，可见，实施例1和实施例2的800℃抗氧化性能明显占优。说明了本发明合金中添加hf、si、sn、nb等元素对合金抗氧化性能的提升作用明显，具有800℃以下应用潜力。
64.图2是实施例1、2合金与in718合金比强度对比，可见实施例1、2合金具有更优的比强度，替代目前镍基高温合金in718可以实现明显的结构减重效果。
65.实施例3：
66.基于与前述实施例同样的工艺和效果，本实施例提供了不同的钛基多主元合金。多主元合金按材料质量分数为：al含量6.2％～7.29％、zr含量38.0％～39.8％、hf含量0.5％～3.5％、si含量0.08％～0.5％、c与o之和含量0.05～0.2％、sn含量0～2％、nb含量0～2％，余量为钛和不可避免的杂质。
67.实施例4：
68.基于与前述实施例同样的工艺和效果，本实施例提供了不同的钛基多主元合金。多主元合金按质量分数含有：al含量7.0％～7.22％、zr含量39.0％～39.8％、hf含量0.9％～2.0％、si含量0.1％～0.3％、c与o之和含量0.1～0.2％、sn含量0～2％、nb含量0～2％，余量为钛和不可避免的杂质。
69.优选地，所述的多主元合金按质量分数含有：al含量7.2％、zr含量39.5％、hf含量1％、si含量0.15％、c与o之和含量0.05～0.2％，sn含量2％、nb含量2％，余量为钛和不可避免的杂质。
70.以上实施例中，合金中hf元素的作用在于：本发明提供的钛基多主元合金中hf是不可或缺的，hf固溶到合金的α基体中，起到固溶强化的效果，另一方面，hf的含量0.5％～3.5％之间，起到提高合金塑性的作用，这主要是由于hf与ti，zr等主元的物化性相契合；在仅有al含量7.0％～7.22％、zr含量39.0％～39.8％，余量ti的情况下，合金的抗氧化性能不足，在500℃以上即开始严重氧化，研究表明，在添加hf、si、sn、nb的共同作用下，合金的抗氧化性能明显提高，从而具备在更高温度下使用的前景，此外，hf的加入，提高合金的高温组织稳定性。
71.合金中si的作用在于：本发明合金中si的作用有两方面，一方面，本合金为α型合金，α型合金中si的固溶度有限，si含量0.08％～0.5％，必然会在基体中形成析出相，钉扎α板条和晶界，从而提高合金的室温和高温强度，但是，si的析出相超过一定含量后，即出现了明显的脆化，经过大量实验研究，将本发明合金中si含量确定为0.08％～0.5％；另一方面，si具有提高合金抗氧化性能的作用。
72.合金中c和o的作用在于：本发明合金的设计定位为800℃以下温度使用的轻质合金，若无c和o含量的控制，合金的相变点在800℃-850℃左右，在800℃环境下组织不稳定，难以应用，因此，为了提高合金的相变点，合金中加入碳和氧α稳定元素，c和o对合金塑性不利，因此，兼顾合金塑性和相变点两个因素，本合金中c与o之和含量0.05～0.2％。
73.sn和nb的添加进一步增强了合金的抗氧化性能，同时起到了一定的固溶强化效果。
74.基于以上论述，本发明旨在设计一种超高强(≥1400mpa)、耐高温(800℃以下组织稳定、强度保持率在40％以上、抗氧化)、强度塑性匹配(室温塑性伸长率≥5％)、低密度
(4.8g/cm3～5.2g/cm3)等性能兼备的钛基多主元合金。
75.最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。