一種新型高溫鈦合金成分設計及多向鍛造工藝的製作方法

2024-02-19 03:22:15 1

本發明屬於鈦合金技術領域，一種新型高溫鈦合金成分設計及多向鍛造工藝。

技術背景

高溫鈦合金具有密度低、比強度高、耐高溫、抗蠕變性能以及抗疲勞性能優異等特點，被廣泛應用於先進航空航天發動機和火箭推進系統的耐高溫結構材料。目前高溫鈦合金的最高使用溫度為600℃，隨著新型航空航天飛行器飛行速度的增加，氣體熱效應造成的飛行器殼體及其發動機部件使用溫度瞬時可達650～750℃，甚至更高，為了適應航空航天快速發展的要求，迫切需要開展新型耐650℃以上高溫鈦合金的研製。目前高溫鈦合金的使用溫度最高能達到600℃，具有代表性的有英國的imi834、美國的ti-1100、俄羅斯的bt36、bt18y和中國的ti60、ti600、tg6等。研製最早、技術最成熟的是1984年由imi和羅羅公司聯合研製的imi834，已經在trent700、ej200和pw350等發動機上得到應用。俄羅斯的bt18y是一種比較成熟的高溫鈦合金，推薦使用溫度為550～600℃，國內的600℃高溫鈦合金ti60、ti600和tg6等仍處於半工業化實驗階段。由此可知現有的高溫鈦合金使用溫度一般在600℃，隨著溫度上升，高溫拉伸性能會因合金熱穩定性降低而急劇下降。

技術實現要素：

為了解決現有方法製備高溫鈦合金在650℃高溫下抗拉強度低及延伸率差的問題，本發明提出了一種高溫鈦合金的設計及鍛造方法。

一種高溫鈦合金鍛坯按元素質量百分比組成：al：6.5～7.5％，sn：2～3％，zr：6～9％，mo：0.2～1％，w：0.5～1.4％，nb：0.5～1.5％，si：0.2～0.3％，er：0.1～0.3％和餘量為ti；優選：7％al、2.5％sn、6％zr、0.5％mo、1％w、1％nb、0.25％si、0.1％er和餘量的ti。

一種高溫鈦合金鍛坯的製備方法，包括以下步驟：

(1)稱取各組分原料：按元素質量百分比組成，分別稱取高純鋁錠、高純錫粉、高純海綿鋯、al-mo中間合金、al-nb中間合金、高純矽、al-w中間合金、al-er合金、海綿鈦。al元素由鋁中間合金和高純鋁共同帶入。

(2)熔煉：

將步驟(1)稱取的原材料壓成料坯，放入水冷銅坩堝真空感應熔煉爐進行熔煉，熔煉功率為150～170kw，熔體懸浮時間為60s～90s。為提高成分的準確性和均勻性，鑄錠需反覆熔煉三遍，澆鑄後得到鈦合金鑄錠。

(3)多向鍛造：

將步驟(2)得到的合金鑄錠切成amm×amm×bmm大小鍛坯，b/a＝1.5～2.5，噴塗防氧化塗料，進行三個垂直方向的多向模鍛(如圖1所示)，將處理好的鑄錠在熱處理爐中在相變點以上20～50℃保溫amin～bmin後取出放入加熱好的模具(如圖2所示)中進行鍛造，每次鍛造前將模具加熱到鍛造溫度，每次將鍛坯amm×amm朝下放置，放好後放入頂模，在變形速率為0.01～0.03s-1下將鍛坯再次鍛成橫向的amm×amm×bmm大小；每次模鍛後將合金加熱到相變點以上20～50℃保溫(a～b)/2min回火處理，依次鍛完三個垂直方向，如圖1所示，鍛後所得鍛件如圖3所示。

本發明的ab沒有特別限制，體現的是保溫時間與邊長的關係。

本發明按[mo]eq＝mo+nb/3.6為1.5～2.0、[al]eq＝al+sn/3+zr/6+4si為9～10設計合金成分，尤其優選成分的合金鍛造後合金鍛坯的室溫抗拉強度為1098mpa，屈服強度為980mpa，延伸率為12.5％；650℃的抗拉強度為615mpa，屈服強度為495mpa，延伸率為47％。

附圖說明

圖1模鍛示意圖；

圖2模具及鍛造過程剖視圖；

圖3模鍛鍛件圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做進一步說明，但本發明並不限於以下實施例。

實施例1

一種高溫鈦合金熔煉按元素質量百分比組成7％al、2.5％sn、6％zr、0.5％mo、1％w、1％nb、0.25％si、0.1％er和餘量的ti組成。本實施方式高溫鈦合金的製備按以下步驟進行：

一、稱取各組分：稱取原材料：按元素質量百分比組成7％al、2.5％sn、6％zr、0.5％mo、1％w、1％nb、0.25％si、0.1％er和餘量的ti製成，分別稱取高純鋁錠、高純錫粉、高純海綿鋯、al-mo中間合金、al-nb中間合金、高純矽、al-w中間合金、al-er合金、海綿鈦。al元素來源於鋁中間合金和高純鋁。高純鋁錠、高純錫粉、高純海綿鋯、高純矽的純度均不低於99.9％。

二、熔煉：

將步驟一稱取的原材料壓成料坯，放入水冷銅坩堝真空感應熔煉爐進行熔煉，熔煉功率為150～170kw，熔體懸浮時間為60s～90s。為提高成分的準確性和均勻性，鑄錠需反覆熔煉三遍，澆鑄後得到鈦合金鑄錠。

三、鍛造：

將合金鑄錠切成35mm×35mm×70mm大小鍛坯，噴塗防氧化塗料，第一次在將合金加熱到1050℃保溫40min,將模具(如圖2)加熱到980℃，每次將鍛坯35mm×35mm朝下放置，放好後放入頂模，在變形速率為0.01～0.03s-1下將鍛坯再次鍛成35mm×35mm×70mm大小；鍛完將合金加熱到1050℃保溫20min，將模具加熱到980℃，將鍛坯35mm×35mm朝下放置，放好後放入頂模，在變形速率為0.01～0.03s-1下將鍛坯再次鍛成35mm×35m×70mm大小；鍛完回爐加熱到1050℃保溫20min，再次將模具加熱到980℃，將鍛坯35mm×35mm朝下放置，放好後放入頂模，在變形速率為0.01～0.03s-1下將鍛坯再次鍛成35mm×35mm×70mm大小，鍛完回爐加熱到1050℃保溫20min。依次鍛完三個方向如圖1所示。

實施例1所測拉伸性能如表1所示：

表1實施方案拉伸性能