[发明专利]一种适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种适用于650‑750℃高温的铸造钛合金材料及其制备方法，该材料合金成分为Ti‑Al‑Zr‑Nb‑Mo‑Si，具体化学成分质量百分比为：Al：5.0%‑7.5%，Zr：3.0%‑5.5%，Nb：0.5%‑3.0%，Mo：0.2%‑2.0%，Si：0.1%‑0.6%，O≤0.15%，其余为Ti及不可避免的杂质元素；制备时，原材料选用超0A级‑0A级小颗粒海绵钛，合金元素Nb、Mo、Si以中间合金形式加入；Zr以海绵锆的形式加入；Al部分由中间合金带入，不足部分以纯铝加入；中间合金与海绵钛经配料、混料后，压制成电极；电极组焊后经熔炼制成合金铸锭，再浇铸成合金铸件，经热等静压处理，去除内部缩孔后制得成品。本发明具有良好的室温及650‑750℃高温力学性能，650‑750℃高温蠕变性能和持久性能也可满足设计需求，具有良好的铸造和焊接性能，满足航天发动机关键结构件的使用需求。

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，涉及一种适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料及其制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的不断发展，高超音速飞行器成为世界各国增强自身军事竞争力的主流方向。而航空用发动机作为高超音速飞行器的核心部件，其要求服役材料具有良好的室温及高温力学性能、高温持久蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等的匹配。且发动机的性能提高很大程度上取决于所用材料高温性能的提高。在此背景下，世界各国开发了多种适用于600℃的高温钛合金材料，典型的合金有俄罗斯的BT18Y和BT36、美国的Ti6242S和Ti1100、英国的IMI834，国内主要有Ti60和Ti55。但仍无法满足航空航天发动机急需650-750℃高温钛合金的需求。

目前，700℃用钛合金的典型代表是Ti₃Al基金属间化合物，其特点是比强度高、比模量高和抗燃烧，但室温塑性和断裂韧性低。钛合金在600-700℃之间的热稳定性主要涉及到脆性相Ti₃X（X=Al，Ge，In，Sn等）的析出，而通常采用优化合金含量来提高合金使用温度的方法将有可能引起脆性相的Ti₃X析出，从而降低合金的热稳定性。因此，应该控制合金元素的种类和含量，避免出现热稳定的恶化。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术的不足，提供一种使用温度在650-750℃的新型高温钛合金材料；该材料具有良好的室温及650-750℃高温力学性能，650-750℃高温蠕变性能和持久性能也可满足设计需求，同时具有良好的铸造和焊接性能，从而满足航天发动机关键结构件的使用需求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料，合金成分为Ti-Al-Zr-Nb-Mo-Si，具体化学成分质量百分比为：Al：5.0%-7.5%，Zr：3.0%-5.5%，Nb：0.5%-3.0%，Mo：0.2%-2.0%，Si：0.1%-0.6%，O≤0.15%，其余为Ti及不可避免的杂质元素。

其中Mo元素和Si元素在合金中的含量是相对的：当Mo含量在1.0%-2.0%时，Si含量为0.1%-0.25%；当Mo含量在0.2%-1.0%时，Si含量为0.25%-0.5%。

一种铸造钛合金材料的制备方法，用以制备所述的适用于650-750℃高温的铸造钛合金材料，原材料选用超0A级-0A级小颗粒海绵钛，合金元素Nb、Mo、Si以中间合金形式加入；Zr以海绵锆的形式加入；Al部分由中间合金带入，不足部分以纯铝豆或铝箔加入；以上中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极；将电极组焊在一起，经熔炼制成合金铸锭；利用合金铸锭浇铸成合金铸件，再经热等静压处理，去除内部缩孔后，得到铸造钛合金材料成品。

组焊后的电极在真空自耗电弧炉或真空感应炉中熔炼2 ～3次，制成合金铸锭。

将合金铸锭通过真空自耗电弧铸造炉或真空感应铸造炉进行真空浇注，得到合金铸件。