一種高溫鈦合金及其表面改性方法
2023-07-04 01:59:41
專利名稱：：一種高溫鈦合金及其表面改性方法
技術領域：
：本發明涉及一種高溫鈦合金及其表面改性方法，特別涉及一種含有稀土元素的高溫鈦合金及其表面改性方法。
背景技術：
：發展大推重比和長壽命的航空發動機是航空飛行器不斷發展追求的重要目標之一。耐高溫、高比強、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低成本等要求成為飛機發動機選材的標準。氣輪發動機中高溫部件較多使用鎳基合金和鐵基合金，其使用溫度雖高，但最大的缺點在於密度太大。而高溫鈦合金除具有較高的使用溫度外，其最大的優點在於具有低的密度和高的比強度。現在的研究表明，鎳基合金Inconel718和In-100高溫機械性能絕對值雖高於高溫鈦合金，但如考慮密度係數，鎳基合金性能明顯低於高溫鈦合金。因此相對於鎳基和鐵基高溫合金，鈦合金的使用就可減輕重量並提高推重比。由於合金在高溫不可避免地存在氧化問題，從而加強了其塑性下降程度。隨著合金對使用溫度的提高，氧化問題會更為突出，嚴重影響合金的使用。從合金化的角度提高抗氧化性能已經很困難，因此，採用表面改性的方法可以行之有效的提高高溫鈦合金的高溫抗氧化性能，進而提高高溫合金的使用性能。離子注入表面防護的方法是採用高能離子束轟擊材料表面，通過注入過程本身以及注入元素的物理或化學效應達到改善材料性能的目的。由於這個過程沒有塗層產生，所以零件的尺寸以及整體性能並沒有改變，離子注入的表面也不存在結合力，殘餘應力，以及組織惡化等問題。因此，離子注入的方法是改善高溫鈦合金表面穩定性行之有效的方法。因此，提供一種提高應用於航空發動機等有耐高溫、長壽命要求的環境的，並且提高高溫鈦合金的使用溫度和使用時間的高溫鈦合金及其製備方法，就成為該
技術領域：
急需要解決的問題。
發明內容本發明的目的之一是提供一種應用於航空發動機等有耐高溫、長壽命要求的環境的高溫鈦合金。本發明的上述目的是通過以下技術方案達到的—種高溫鈦合金，包括5.5_7重量％的鋁(Al);0.5-3重量％的錫(Sn)和/或鎵(Ga);0.08-0.2重量％的氧(O)，且[Al]為7.58.5;0.450.55重量％的矽(Si);45.5重量X的Zr或Hf;0.30.5重量％的Mo;0.30.5重量％的Nb和/或Ta;0.60.85重量X的稀土元素Y、Nd或Er;餘量為鈦。定義A1當量為[A1]=Al%+0.46XSn%+0.42XGa%+6.7X0%Al%:為Al元素的重量百分含邐Sn%:為Sn元素的重量百分含邐Ga%:為Ga元素的重量百分含邐0%:為0元素的重量百分含量。本發明合金中，其餘間隙和雜質元素按常規鈦合金控制。本發明合金利用真空自耗熔煉、凝殼爐熔煉、等離子束熔煉、電子束熔煉或懸浮爐熔煉方法進行熔煉；本發明合金的鑄錠在相變點以上開坯，進行中間鍛造或軋制，製成棒坯。棒坯在相變點上10015(TC範圍內加熱，然後採用軋制或鍛造成形方法製成棒材，棒材採用直接時效處理。本發明的另一目的是提供一種上述高溫鈦合金的表面改性方法。本發明的上述目的是通過以下技術方案達到的—種高溫鈦合金的表面改性方法，其特徵在於採用離子注入的方法對所述高溫鈦合金進行表面改性，其中離子注入量為Nb或Ta3X10"-3X10^ions/ci^，注入電壓30-60V，電流l-5mA。本發明的優點是1、本發明合金的室溫抗拉強度不低於1100MPa，65(TC的高溫抗拉強度不低於650MPa2、本發明的合金耐高溫、抗疲勞、長壽命，適應高溫環境下的使用。3、高溫鈦合金經過表面改性，提高了高溫鈦合金的高溫抗氧化性能，進而提高高溫鈦合金的使用性能。下面通過具體實施方式對本發明做進一步說明，但並不意味著對本發明保護範圍的限制。具體實施方式實施例1將市售的海綿鈦、海綿鋯、純鋁、純矽、鋁鉬中間合金、鋁釹中間合金、鈦鈮鉭中間合金和鋁錫中間合金按表l的成分配比(重量百分比，下同)製備成電極塊，電極塊在真空等離子箱內焊接成真空自耗電極，然後進行三次真空自耗熔煉製成鑄錠。鑄錠在相變點上開坯鍛造，經過中間鍛造後製成小35mm的軋制棒坯，棒坯加熱到115(TC後，在橫列式軋機上軋製成(M5mm棒材。軋製成的棒材經過表2中所列的熱處理制度處理後，按GB/T228-2002的要求進行力學性能測試，其力學性能見表2。軋製成的棒材經過表3中所列的離子注入及熱處理處理後，保持氧化皮進行力學性能測試，其性能見表3。表1tableseeoriginaldocumentpage5tableseeoriginaldocumentpage6表5實施例2中棒材的力學性能tableseeoriginaldocumentpage6表6實施例2中棒材離子注入後的力學性能tableseeoriginaldocumentpage6注入電流3.5mA實施例3將市售的海綿鈦、海綿鋯、純鋁、純矽、鋁鉬中間合金、鋁鉺中間合金、鈦鈮中間合金和鋁錫中間合金按表7的成分配比製備成電極塊，電極塊在真空等離子箱內焊接成真空自耗電極，然後進行三次真空自耗熔煉製成鑄錠。鑄錠在相變點上開坯鍛造，經過中間鍛造後製成小35mm的軋制棒坯，棒坯加熱到115(TC後，在橫列式軋機上軋製成小15mm棒材。軋製成的棒材經過表8中所列的熱處理制度處理後，按GB/T228-2002的要求進行力學性能測試，其力學性能見表8。軋製成的棒材經過表9中所列的離子注入及熱處理處理後，保持氧化皮進行力學性能測試，其性能見表9。表7tableseeoriginaldocumentpage7實施例4將市售的海綿鈦、海綿鋯、純鋁、純矽、鋁鉬中間合金、鋁鉺中間合金、鈦鈮中間合金和鋁錫中間合金按表10的成分配比製備成電極塊，電極塊在真空等離子箱內焊接成真空自耗電極，然後進行三次真空自耗熔煉製成鑄錠。鑄錠在相變點上開坯鍛造，經過中間鍛造後製成小35mm的軋制棒坯，棒坯加熱到115(TC後，在橫列式軋機上軋製成(M5mm棒材。軋製成的棒材經過表11中所列的熱處理制度處理後，按GB/T228-2002的要求進行力學性能測試，其力學性能見表11。軋製成的棒材經過表12中所列的離子注入及熱處理處理後，保持氧化皮進行力學性能測試，其性能見表12。表10tableseeoriginaldocumentpage8實施例5將市售的海綿鈦、海綿鋯、純鋁、純矽、鋁鉬中間合金、鋁釹中間合金、鈦鈮鉭中間合金和鋁錫中間合金按表13的成分配比(重量百分比，下同)製備成電極塊，電極塊在真空等離子箱內焊接成真空自耗電極，然後進行三次真空自耗熔煉製成鑄錠。鑄錠在相變點上開坯鍛造，經過中間鍛造後製成小35mm的軋制棒坯，棒坯加熱到115(TC後，在橫列式軋機上軋製成(M5mm棒材。軋製成的棒材經過表14中所列的熱處理制度處理後，按GB/T228-2002的要求進行力學性能測試，其力學性能見表14。軋製成的棒材經過表15中所列的離子注入及熱處理處理後，保持氧化皮進行力學性能測試，其性能見表15。表13tableseeoriginaldocumentpage8表14tableseeoriginaldocumentpage9表15tableseeoriginaldocumentpage9權利要求一種高溫鈦合金，包括5.5-7重量％的Al；0.5-3重量％的Sn和/或Ga；0.08-0.2重量％的0，且[Al]值為7.5～8.5；0.45～0.55重量％的Si；4～5.5重量％的Zr或Hf；0.3～0.5重量％的Mo；0.3～0.5重量％的Nb和/或Ta；0.6～0.85重量％的稀土元素Y、Nd或Er；餘量為鈦。2.根據權利要求1所述的高溫鈦合金，其特徵在於所述[Al]=Al重量％+0.46XSn重量％+0.42XGa重量％+6.7X0重量％。3.根據權利要求1所述的高溫鈦合金，其特徵在於所述高溫鈦合金還含有C、H、N元素，其含量按常規鈦合金控制。4.權利要求l-3任一項所述的高溫鈦合金的表面改性方法，其特徵在於採用離子注入的方法對所述高溫鈦合金進行表面改性，其中離子注入量為Nb或Ta3X10"-3X10化ions/cm2，注入電壓30-60V，電流l-5mA。5.根據權利要求4所述的高溫鈦合金的表面改性方法，其特徵在於所述離子注入量為Nb或Ta6X1015-3X10"ions/cm2，注入電壓35-55V，電流3.5-5mA。全文摘要本發明涉及一種高溫鈦合金及其表面改性方法，特別涉及一種含有稀土元素的高溫鈦合金及其表面改性方法。本發明的合金包括5.5-7重量％的鋁(Al)；0.5-3重量％的錫(Sn)和/或鎵(Ga)；0.08-0.2重量％的氧(O)，且[Al]為7.5～8.5；0.45～0.55重量％的矽(Si)；4～5.5重量％的Zr或Hf；0.3～0.5重量％的Mo；0.3～0.5重量％的Nb和/或Ta；0.6～0.85重量％的稀土元素Y、Nd或Er；餘量為鈦。本發明合金的室溫抗拉強度不低於1100MPa，650℃的高溫抗拉強度不低於650MPa；採用離子注入的方法對本發明高溫鈦合金進行表面改性，經過表面改性以後，合金的高溫性能明顯提高。文檔編號C23C14/48GK101768684SQ20081024687公開日2010年7月7日申請日期2008年12月26日優先權日2008年12月26日發明者于洋,葉文君,張翥,惠松驍,王希哲申請人:北京有色金屬研究總院