專利名稱：一種耐熱鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦基合金的技術(shù)領(lǐng)域。
鈦合金以其高的比強度而越來越多地應(yīng)用在高性能航空發(fā)動機上，早在六十年代初期，幾種最高使用溫度達500℃的耐熱鈦合金，如英國的IMI677，蘇聯(lián)的BT9和美國的Ti-6242等合金就相繼作為航空發(fā)動機的壓氣機盤和葉片材料得到實際應(yīng)用。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機設(shè)計師們對高于500℃的新型鈦合金的呼聲也越來越高，然而，近二十多年以來，耐熱鈦合金的研究卻進展不大，到目前為止，各種文獻中所報導(dǎo)的實用耐熱鈦合金其最高使用溫度仍停留在500℃的水平。研制550℃高溫鈦合金所遇到的主要問題是合金的熱穩(wěn)定性(即蠕變后室溫塑性)同熱強性(即高溫強度和蠕變強度)的矛盾，而熱穩(wěn)定性所涉及到的鈦合金相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和合金表面氧化問題，隨著溫度的升高顯得愈來愈突出。如通常采用提高鈦合金中鋁、鎵、錫和鋯含量的方法以期提高鈦合金的使用溫度，但是，當(dāng)上述合金元素含量增加的同時，隨之便帶來了鈦合金熱穩(wěn)定性的下降，即鈦合金開始析出Ti3X(X＝Al，Ga，In，Sn)影響高溫鈦合金熱穩(wěn)定性的脆性相。
本發(fā)明的目的是研究一種最高使用溫度可達550℃的耐熱鈦合金，其特征在于采用稀土元素釹(Nd)使鈦合金強化并改善合金表面的抗氧化性能。這是因為，經(jīng)過發(fā)明人系統(tǒng)的研究工作發(fā)現(xiàn)，一方面，稀土元素釹能明顯地使鈦合金的基體及表面氧化膜的晶粒細(xì)化;另一方面，稀土釹在鈦合金中發(fā)生內(nèi)氧化反應(yīng)，形成三氧化二釹(Nd2O3)分布在晶界上或基體中，不僅可使鈦合金基體中的氧濃度降低。而且Nd2O3顆粒在基體中還能釘扎位錯，有利于鈦合金強度的提高。本發(fā)明所提供的耐熱鈦合金其成分范圍是(以重量百分比計算)鋁2.5～7錫2～11鋯0.5～5鉬0.2～2硅0.08～0.5釹0.2～2.5鈦余量。
而其最佳成分范圍則為(以重量百分比計算)鋁4.5～6.5錫3～6鋯1～3鉬0.5～1.5硅0.1～0.3釹0.5～1.5鈦余量。
稀土元素釹是在原料制備過程中加入的，它可以稀土純金屬釹的形式加入，也可以而且最好是以釹鋁合金或釹錫合金兩種中間合金的形式加入，因為稀土元素釹以上述兩種中間合金的形式加入原料中時，可有效地控制鈦合金中的氧含量，有利于確保本發(fā)明所提供耐熱鈦合金良好的熱穩(wěn)定性。由于釹鋁和釹錫合金均為連續(xù)固溶體，考慮到成份配比，故本發(fā)明所提供的耐熱鈦合金在原料中所加入的釹鋁合金和釹錫合金中，其含釹量(以重量百分比計算)為10～40。
本發(fā)明所提供的耐熱鈦合金(或簡稱本合金)可在真空自耗電極電弧爐中熔煉，熔煉好的鑄錠經(jīng)扒皮后，可在1150°～1050℃下開坯、鍛造;在1090°～1010℃下進行熱軋，再經(jīng)過1040℃/1小時、空冷的固溶處理和600℃/2小時、空冷的時效處理。其拉伸性能、蠕變性能和熱穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于英國的IMI829合金和美國的Ti-11合金。下面分別列出三種合金各種性能數(shù)據(jù)，表中的σb為拉張強度，σ0.2為范性形變0.2%的屈服強度，δ為試樣延伸率，ψ為試樣的斷面收縮率。
表1室溫拉伸性能合金σbσ0.2δψ(kg/mm2) (kg/mm2) (%) (%)IMI82998 84 10 /Ti-1195861629本合金1101011330表2高溫拉伸性能合金試驗溫度σbσ0.2δψ(℃) (kg/mm2) (kg/mm2) (%) (%)IMI829540 61 47 12 /Ti-1153857441840本合金55073601335
表3蠕變性能合金試驗溫度應(yīng)力時間殘余變形(℃) (kg/mm2) (小時) (%)IMI829540 30.6 100 0.1Ti-11538351000.01(棒)0.37(盤)540352000.27本合金550301500.18表4熱穩(wěn)定性能(無應(yīng)力曝露)合金曝露溫度時間曝露后室溫拉伸σbσ0.2δψ(℃) (小時) (kg/mm2) (kg/mm2) (%) (%)Ti-1153815011410812175401501111051117本合金550150107102816表5熱穩(wěn)定性能(應(yīng)力曝露)合金曝露條件曝露后室溫拉伸溫度應(yīng)力時間σbσ0.2δψ(℃) (kg/mm2) (小時) (kg/mm2) (kg/mm2) (%IMI829540 30.6 100 97 84 7 12Ti-11538351501141081217本合金550301001101051015本發(fā)明所提供的耐熱鈦合金在550℃下仍保持有良好的高溫抗張強度、抗蠕變強度和熱穩(wěn)定性等綜合性能。而且本合金在1050°～1100℃下變形抗力較小，適合于異形結(jié)構(gòu)件的模鍛成型。因而本發(fā)明所提供的耐熱鈦合金可滿足先進的航空發(fā)動機對壓氣機盤和葉片材料所提出的性能要求，為發(fā)動機設(shè)計師們提供了一種理想的航空用高溫材料。
本發(fā)明所提供的耐熱鈦合金其最佳實施例如下實施例一、耐熱鈦合金棒材生產(chǎn)工藝，采用低氧一級海棉鈦，稀土釹以釹鋁和釹錫中間合金的形式加入，按重量百分比配料，鋁4.5～6.5;錫3～6;鋯1～3;鉬0.5～1.5;硅0.1～0.3;釹0.5～1.5;鈦余量?；炝蠑D壓制成電極，在真空自耗電極電弧爐中二次熔煉，其中一次熔煉電壓29～31伏，電流6000～6600安;二次熔煉電壓29～31伏，電流6500～7000安。二次鑄錠尺寸為直徑280長500毫米。鑄錠經(jīng)1120℃開坯后，鐓撥，鍛至邊長80毫米的方棒，再在1050℃改鍛成直徑43毫米圓棒，并在1090℃由直徑43毫米軋制到直徑19毫米，在1040℃軋制成直徑11毫米的棒材。最后經(jīng)1040℃/1小時空冷固溶處理和600℃/1小時空冷時效處理，即可出廠。
實施例二、耐熱鈦合金航空發(fā)動機壓氣機葉片模鍛工藝按實施例一所列出的熔煉和粗鍛工藝鍛成直徑43毫米圓棒，再在1090℃軋成為直徑19毫米圓棒，經(jīng)扒皮到直徑18長158毫米的毛坯，再在1090℃下經(jīng)過頂鍛、予鍛和終鍛三次鍛壓成型，其中予鍛和終鍛均在1500噸壓力機上進行，鍛后空冷，頂鍛后至予鍛兩工序間需要進行吹砂和打磨處理和表面檢查;予鍛至終鍛兩工序之間則需要進行吹砂、打磨和涂玻璃潤滑劑處理。按此工藝所制造的葉片，質(zhì)量完全達到要求。
權(quán)利要求
1.一種最高使用溫度可達550℃的耐熱鈦合金，其特征在于采用稀土元素釹(Nd)使鈦合金強化并改善合金的表面抗氧化性能，合金的成分范圍為(以重量百分比計算)鋁2.5～7；錫2～11；鋯0.5～5；鉬0.2～2；硅0.08～0.5；釹0.2～2.5；鈦余量。
2.按權(quán)利要求1所述的耐熱鈦合金，其特征在于合金成份的最佳成分范圍為(以重量百分比計算)鋁4.5～6.5;錫3～6;鋯1～3;鉬0.5～1.5;硅0.1～0.3;釹0.5～1.5;鈦余量。
3.按權(quán)利要求1、2所述的耐熱鈦合金，其特征在于稀土元素可以純金屬的形式加入原料中，也可以釹鋁合金或釹錫合金兩種中間合金的形式加入原料中。
4.按權(quán)利要求3所述的耐熱鈦合金，其特征在于所說的釹鋁合金或釹錫合金，其含釹量(以重量百分比計算)為10～40。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種最高使用溫度可達550℃的耐熱鈦合金，其特征在于采用稀土元素釹(Nd)使鈦合金強化并改善鈦合金表面的抗氧化性能。合金的成分范圍為鋁2.5～7；錫2～11；鋯0.5～5；鉬0.2～2；硅0.08～0.5；釹0.2～2.5；鈦余量，其最佳成分范圍為鋁4.5～6.5；錫3～6；鋯1～3；鉬0.5～1.5；硅0.1～0.3；釹0.5～1.5；鈦余量。本發(fā)明所提供的耐熱鈦合金在550℃下仍保持有良好的高溫抗張強度、抗蠕變強度和熱穩(wěn)定性等綜合性能。為航空發(fā)動機提供了理想的壓氣機盤和葉片材料。
文檔編號C22C14/00GK1031721SQ8710507
公開日1989年3月15日 申請日期1987年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月1日
發(fā)明者李 東, 劉羽寅, 萬曉景 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所