[发明专利]一种高温高强钛合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金材料领域，具体涉及一种高温高强Ti-Al-Sn-Zr(Hf)-Nb(Ta)-W-Si合金及其制备方法。

背景技术

高温钛合金具有比重小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，在航空航天等领域广泛应用。现有高温钛合金的研究主要是以航空为需求而开展的，主要性能指标是为了满足航空发动机的长时高温工作环境（不超过600℃），需要合金具有良好的高温强度、高温长时低应力持久蠕变性能和较好的热稳定性能及疲劳性能，以棒材和锻件为主。随着航天工业的发展，针对高速飞行器等的短时高温高强需求，需要提高合金的高温强度，且在大载荷下具有较好的短时持久蠕变性能，同时特别注重合金的超塑成型性能，以板材为主。现有典型的高温钛合金有美国的Ti-1100、英国的IMI834、俄罗斯的BT36和中国的Ti60等，使用温度不超过600℃，无法满足航天领域对高温钛合金的短时高强要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可在700℃及以下短时应用的高温高强Ti-Al-Sn-Zr(Hf)-Nb(Ta)-W-Si合金及其制备方法。

一种高温高强钛合金，其特征在于：该高温高强钛合金的组成及其各组分含量的重量百分比为Al：6.0～7.0%，Sn：2～4%，Zr：3.5～3.8%，Hf：0.2～0.5%，且Zr和Hf之和为4%，Ta为0.3～0.8%且Nb和Ta之和为1.5～3%，W：0.5～1.5%，Si：0.2～0.5%，余量为Ti，上述各组分的含量之和为100%。

上述高温高强钛合金的室温（25℃左右）抗拉强度不低于1150MPa，延伸率不低于8%；650℃下的抗拉强度不低于720MPa，700℃下的抗拉强度不低于580MPa；700℃/350MPa条件下，持久断裂时间不低于30min。

上述高温高强钛合金的室温抗拉强度为1170-1300MPa，延伸率为10-18%；650℃下的抗拉强度为720-800MPa；700℃下的抗拉强度为580-670MPa；700℃/350MPa条件下，持久断裂时间为35-90min。

一种上述高温高强钛合金的制备方法，具体工艺步骤为：

（1）按照以下重量百分比进行配料：Al：6.0～7.0%，Sn：2～4%，Zr：3.5～3.8%，Hf：0.2～0.5%，且Zr和Hf之和为4%，Nb和Ta之和为1.5～3%且Ta为0.3～0.8%，W：0.5～1.5%，Si：0.2～0.5%，余量为Ti；将称取的原料压制成自耗电极，在真空自耗电弧炉内熔炼成钛合金铸锭；

（2）将上述钛合金铸锭在1100～1150℃开坯，经中间锻造、轧制、退火或固溶时效处理后得到高温高强钛合金。

其中：

步骤（1）中所述原料为海绵Ti、火器级海绵Zr、海绵Hf、Al豆、Ti-80Sn中间合金、Al-75Nb中间合金、Al-40Ta中间合金、Ti-30W中间合金和Ti-50Si中间合金；

步骤（1）中的熔炼经3火次完成；

步骤（2）中的中间锻造温度为1030℃～1090℃，中间锻造经2～3火次完成，每火次变形量不低于50%；

步骤（2）中的轧制温度为950～1030℃，总变形量不低于75%，加热火次为2～3次。

本发明的高温高强Ti-Al-Sn-Zr(Hf)-Nb(Ta)-W-Si合金，采用真空自耗熔炼加开坯锻造、中间锻造、热轧工序，按照国标GB/T228-2002方法进行室温拉伸测试，按照GB/T4338-2006方法进行高温拉伸测试。所述合金的拉伸性能为：室温抗拉强度不低于1150MPa，延伸率不低于8%；650℃下的抗拉强度不低于720MPa，700℃下的抗拉强度不低于580MPa。按照国标GB/T2039-1997方法进行持久性能测试，所述合金性能为在700℃/350MPa条件下，持久断裂时间不低于30min；本发明的Ti-Al-Sn-Zr(Hf)-Nb(Ta)-W-Si合金材料在700℃及以下具有优异的室温和高温力学性能匹配，可以满足短时高温高强条件下对钛合金的应用需求。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但并非因此而限制本发明的内容。

下列实施例中的材料均可以通过商业途径购买，其中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1：制备Ti-6.5Al-3Sn-3.7Zr-0.3Hf-2Nb-0.5Ta-1W-0.3Si合金