專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高蠕變抗力和高疲勞強(qiáng)度的高溫鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部件的高蠕變抗力和高疲勞強(qiáng)度的高溫鈦合金，該種材料可以在600℃下長(zhǎng)期使用，并具有高蠕變抗力和高疲勞強(qiáng)度。屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈦合金以其優(yōu)越的高比強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比或功重比的提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金性能的要求也在不斷提高。
從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，鈦合金走過(guò)了快速發(fā)展的道路，鈦合金地使用溫度以Ti-6Al-4V為代表的400℃提高到了以IMI834為代表的600℃。英國(guó)發(fā)展的典型高溫鈦合金有IMI679(最高使用溫度450℃)、IMI685(520℃)、IMI829(540℃)、IMI834(600℃)；美國(guó)的高溫鈦合金有Ti-6242S(540℃)、Ti-1100(600℃)；俄羅斯的高溫鈦合金有BT3-1(450℃)、BT8(500℃)、BT9(500℃)、BT25(550℃)、BT25y(550℃)、BT18y(600℃)、BT36(600℃)；中國(guó)早期的高溫鈦合金主要走的是仿制的道路，20世紀(jì)80年代以后開(kāi)始自行研制，典型的高溫鈦合金有TC4(400℃)、TC11(500℃)、TA12(550℃)。
目前，各國(guó)投入使用和正在研制的高溫鈦合金大多為近α型合金。近α型鈦合金具有良好的高溫性能、組織穩(wěn)定性和焊接性能，適合于在高溫環(huán)境下使用。世界上能在600℃長(zhǎng)期使用的高溫鈦合金有英國(guó)的IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C)、美國(guó)的Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)、俄羅斯的BT36(Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-5.0W-0.15Si)，它們都是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系的基礎(chǔ)上發(fā)展的，但化學(xué)成分又各具特色。IMI834合金加入了2個(gè)β穩(wěn)定化元素Mo和Nb，以及0.06％C；Ti-1100合金的Mo含量較低，Si相對(duì)較高，對(duì)雜質(zhì)元素Fe和0含量要求甚嚴(yán)；BT36合金含有5％高熔點(diǎn)元素W以及微量的稀土元素Y。
我國(guó)發(fā)展高溫鈦合金非常重視稀土元素的作用，如我國(guó)專(zhuān)利87105074“一種耐熱鈦合金”，其特征在于采用稀土元素釹(Nd)使鈦合金強(qiáng)化并改善鈦合金表面的抗氧化性。合金的成分范圍及重量百分比為Al 2.5～7％、Sn 2～11％、Zr 0.5～5％、Mo 0.2～2％、Si 0.08～0.5％、Nd 0.2～2.5％、Ti余量。其最佳成分范圍為Al 5.5～6.5％、Sn 3～6％、Zr 1～3％、Mo 0.5～1.5％、Si 0.1～0.3％、Nd 0.5～1.5％、Ti余量。該專(zhuān)利的合金在550℃具有良好的抗拉強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等綜合性能。
針對(duì)我國(guó)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求背景，提出需要一種能在600℃下長(zhǎng)期使用的鈦合金。目前國(guó)內(nèi)已掌握的高溫鈦合金不能滿(mǎn)足使用性能的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研制新型的具有高蠕變抗力和高疲勞強(qiáng)度的高溫鈦合金，并能在600℃長(zhǎng)期使用。
本發(fā)明技術(shù)方案首先要解決的技術(shù)問(wèn)題是新合金成分的設(shè)計(jì)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)該新合金時(shí)，需要充分考慮其使用部件對(duì)材料力學(xué)性能及長(zhǎng)期使用可靠性方面的要求。與國(guó)內(nèi)外相近合金相比，其特征在于添加了合金元素Ta改善了合金的蠕變抗力和疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)的新合金通過(guò)β穩(wěn)定元素的種類(lèi)及含量的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合性能的提高。該合金的化學(xué)成分及重量百分比為Al 3.0～7.0，Sn 1.0～6.0，Zr 1.0～6.0，Nb 0.1～2.5，Ta 0.2～4.0，Mo 0.0～3.0，Si 0.05～0.7，C 0.0～0.1，余量為T(mén)i。本發(fā)明所涉及的合金成分與國(guó)內(nèi)外其他相近鈦合金的不同點(diǎn)在于①本合金采用的是Ti-Al-Sn-Zr-Nb-Ta-Si-C合金化系，以Ta、Nb和Mo為主要的β穩(wěn)定化元素；②Sn和Zr這兩個(gè)中性元素的含量的組合不同于以往其他任何鈦合金；③Ta和Nb元素的組合穩(wěn)定β相是高溫鈦合金發(fā)展的一大創(chuàng)新。


圖1為實(shí)施例二中TG6-2合金盤(pán)件的室溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率
具體實(shí)施例方式
實(shí)例1
該合金的化學(xué)成分及重量百分比為5.80％Al、4.0％Sn、3.46％Zr、0.68％Nb、1.86％Ta、0.39％Si、0.068％C、0.03％Fe、0.066％0、0.008％N，余量為T(mén)i。
原材料采用0級(jí)海綿鈦、純Al屑、純Sn、海綿鋯、Ta粉、Al-Nb中間合金、Al-Si中間合金、C粉，按合金名義化學(xué)成分配比后壓制成電極，熔煉之前將每段電極焊接成一整體電極，整體電極重54kg。在真空自耗電弧爐上進(jìn)行了VAR熔煉，制成直徑為220mm的50kg鑄錠一個(gè)，暫命名為T(mén)G6-1。
鑄錠的開(kāi)坯在1250噸液壓機(jī)上分兩火進(jìn)行。在精鍛機(jī)上和軋機(jī)上制成直徑為18.5mm的棒材并經(jīng)①β區(qū)固溶+時(shí)效，②近β區(qū)固溶+時(shí)效，③α+β區(qū)固溶+時(shí)效熱處理。其各項(xiàng)性能見(jiàn)表一～表四所示。
表1 TG6-1合金棒材的室溫拉伸性能
表2 TG6-1合金棒材的600℃拉伸性能
表3 TG6-1合金棒材經(jīng)600℃/100h試樣熱暴露后的室溫拉伸性能(試樣熱穩(wěn)定性)
表4 TG6-1合金棒材600℃蠕變性能(600℃/150MPa/100h)
實(shí)例2
該合金的化學(xué)成分及重量百分比為5.40％Al、4.06％Sn、3.96％Zr、0.68％Nb、1.41％Ta、0.37％Si、0.056％C，余量為T(mén)i。
原材料采用0級(jí)海綿鈦、純Al屑、純Sn、海綿鋯、Ta粉、Al-Nb中間合金、Al-Si中間合金、C粉，按合金名義化學(xué)成分配比后壓制成電極，配料重256kg。在650kg真空自耗電弧爐上進(jìn)行了三次VAR熔煉，制成直徑為350mm的256kg鑄錠一個(gè)，暫命名為T(mén)G6-2。
鑄錠的開(kāi)坯在1250噸液壓機(jī)上分兩火進(jìn)行。在水壓機(jī)上采用低高低交替鍛造工藝制造XX發(fā)動(dòng)機(jī)第七級(jí)盤(pán)件用餅環(huán)坯，在10噸鍛錘上采用XX發(fā)動(dòng)機(jī)第七級(jí)盤(pán)件模具一次β鍛制成盤(pán)件，盤(pán)件外徑Φ460mm，內(nèi)徑Φ155mm，輪緣最大厚度52mm，輪輻最大厚度34mm。其各項(xiàng)性能見(jiàn)表五～表十所示。
表5 TG6-2合金盤(pán)件的室溫拉伸性能
表6 TG6-2合金盤(pán)件的熱穩(wěn)定性(熱暴露后的室溫拉伸性能)
表7 TG6-2合金盤(pán)件的蠕變性能
表8 TG6-2合金盤(pán)件的持久性能
表9 TG6-2合金盤(pán)件的高周疲勞疲勞性能
表10 TG6-2合金盤(pán)件的室溫?cái)嗔秧g性
本發(fā)明提供的高溫鈦合金能具有優(yōu)良綜合性能的，該合金在600℃長(zhǎng)期使用的具有優(yōu)良綜合性能的高溫鈦合金，該高溫鈦合金在600℃具有良好的蠕變抗力，同時(shí)還具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性，以及較低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，其優(yōu)良的綜合性能為我國(guó)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部位600℃左右工作的零件(如高壓壓氣機(jī)葉片、輪盤(pán)和鼓筒)提供了理想的候選材料。
該合金具有與英國(guó)IMI834、美國(guó)Ti-1100等合金相當(dāng)?shù)睦鞆?qiáng)度、拉伸塑性、熱穩(wěn)定性、蠕變抗力，但具有更高的疲勞強(qiáng)度、更高的斷裂韌性(盤(pán)件的K1C比IMI834高約
)和較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。
權(quán)利要求
1.一種高蠕變抗力和高疲勞強(qiáng)度的高溫鈦合金，其特征在于該合金的化學(xué)成分及重量百分比為Al 3.0～7.0，Sn 1.0～6.0，Zr 1.0～6.0，Nb 0.1～2.5，Ta 0.2～4.0，Mo 0.0～3.0，Si 0.05～0.7，C 0.0～0.1，余量為T(mén)i。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高蠕變抗力和高疲勞強(qiáng)度的高溫鈦合金，其特征在于該合金的化學(xué)成分及重量百分比為Al 5.2～6.0，Sn3.5～4.5，Zr 3.0～4.0，Nb 0.3～1.0，Ta 0.5～2.5，Si 0.2～0.5，C 0.03～0.08，余量為T(mén)i。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部件的高蠕變抗力和高疲勞強(qiáng)度的高溫鈦合金，該合金的化學(xué)成分及重量百分比為Al3.0～7.0，Sn 1.0～6.0，Zr 1.0～6.0，Nb 0.1～2.5，Ta 0.2～4.0，Mo 0.0～3.0，Si 0.05～0.7，C 0.0～0.1，余量為T(mén)i。該高溫鈦合金在600℃具有良好的蠕變抗力，同時(shí)還具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性，以及較低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，其優(yōu)良的綜合性能為我國(guó)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部位600℃左右工作的零件(如高壓壓氣機(jī)葉片、輪盤(pán)和鼓筒)提供了理想的候選材料。
文檔編號(hào)C22C14/00GK1772932SQ20051006811
公開(kāi)日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月27日
發(fā)明者蔡建明, 李臻熙, 黃旭, 李四清, 郝孟一, 曹春曉 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空材料研究院