[发明专利]近α高温钛合金中α2相和硅化物的协调控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种近α高温钛合金中α₂相和硅化物的协调控制方法，特别是含Si的近α高温钛合金中α₂相和硅化物的协调控制方法，比如Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si合金系中α₂相和硅化物的协调控制方法。

背景技术

近α钛合金是600℃以上温度使用时首选高温钛合金，而在显微组织、添加元素得到充分保证的情况下，提高其高温使用性能的根本途径在于弥散相的析出强化。尽管α₂相和硅化物作为弥散析出相容易引起合金热稳定性的降低，但也确实能够起到强化作用。比如，在IMI550，IMI679，IMI685，IMI829，IMI834和Ti-55，Ti-600，Ti-60合金中，α₂相和硅化物有效地提高了合金的蠕变性能，然而，导致合金的热稳定性明显下降。

近α钛合金中的α₂相以Ti₃Al为主体的、具有DO₁₉结构的、一般在时效过程或热暴露过程析出的有序相。当合金的电子浓度超过特征电子浓度(N_C＝∑N_if_i＝2.12)时，在合适的时效条件下α₂相(Ti₃X)就将会析出，α₂相是时效及热暴露过程的产物。其析出长大与Ti-Al二元系中α₂相(Ti₃Al)的析出长大具有相同的特征。随时效温度的降低，α₂相的析出依次表现为仅在位错附近析出、位错和晶界优先析出以及在合金中均匀析出三种特征。

对α₂相的脆化作用的认识由来已久，几乎在可能析出α₂相的所有近α型高温钛合金中，均发现α₂相的析出导致合金的脆化倾向，降低室温塑性。相关的研究指出，α₂相的脆化作用程度与α₂相的含量，尺寸，形状，分布有关。而且α₂相的高温强度远高于α相，这就使得利用α₂相强化成为可能。

由于α₂相的析出长大与合金成分、固溶组织、时效温度和时间等多方面因素有关，同时其影响作用还与硅元素的含量及硅化物的析出有关，从而α₂相的析出与生长控制仍是尚未解决的困难。

Si作为一种重要的高温钛合金的添加元素，已经被证明是有效的强化元素。IMI550，IMI679，IMI685，IMI829，IMI834和Ti-55，Ti-600，Ti-60都是含Si的高温钛合金。在近α高温钛合金中，Si的含量一般在0.1～0.5(wt％)之间。Si以两种状态存在，即Si固溶于基体中和以硅化物的形态析出。这两种存在形态对合金性能的影响就是Si固溶强化和硅化物的沉淀强化。

Si能有效地强化固溶体，它在β钛中的溶解度远大于在α钛中的溶解度，Si在α钛中的溶解度随温度的提高而加大。因此，采用在β区或β+α相区上部的处理使Si固溶，然后在较低温度(比如650℃)下时效，可获得细小的、弥散分布的硅化物。

硅化物的析出受时效温度及时间的影响，提高时效温度及时间导致硅化物的增大；硅化物的析出分布、形貌、颗粒尺寸可以在较大范围内变化。硅化物主要在单相α′片层组织或α-β界面处析出，也常发现在组织内部析出；其形状可以是等轴的、椭球的，有时呈现为块状的；其尺寸可以在几十纳米到几百纳米变化。

Si元素添加的主要作用在于固溶强化，这一点已经得到普遍接受。

对硅化物的析出强化则有两种明显不同的认识。一些研究表明，细小的、弥散分布的硅化物有利于强化晶界和相界，当Si与Zr、Mo综合作用时，强化效果最好；另一些研究则表明，硅化物析出会引起蠕变阻力的降低以及疲劳裂纹生长速率的增大。实际上可以认为，硅化物的强化作用与硅化物的析出、长大过程及分布状态密切相关。与α₂相的脆化作用相似，随Si含量的增加及硅化物析出，高温钛合金的拉伸塑性明显降低。

由于硅化物的析出长大与合金成分、固溶组织、时效温度和时间等多方面因素有关，同时其影响作用还与α₂相的析出有关，从而硅化物的析出与生长控制仍是尚未解决的困难。