[發明專利]一種高溫性能優異的硼微合金化高溫鈦合金及其制備方法

在審

• 申請號: 201910190714.6
• 申請日: 2019-03-13
• 公開（公告）號: CN109811193A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 陳子勇;劉瑩瑩;柴麗華;馬小昭;崔亞鵬;史國棟;相志磊;李中豪;申高亮;任偉敏
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/03;C22F1/18
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種高溫性能優異的硼微合金化高溫鈦合金及其制備方法，屬于鈦合金技術領域。硼微合金化高溫鈦合金質量百分比組份Al：6?7％，Sn：2?3％，Zr：8?10％，Mo：0.4?1.0％，Nb：0.5％?1.2％，W：0.5％?1.2％，Si：0.2％?0.4％，B：0.08％?0.2％余量為Ti，采用真空感應懸浮熔煉的方法合成制備含硼高溫鈦合金，設計成分配料熔煉，為獲得含硼高溫鈦合金。對獲得的合金進行表面處理，隨后進行多向近等溫鍛造，鍛造總變形量＞70％，初始鍛造溫度為980℃。對鍛造后的含硼合金進行1010℃/1h/WQ的β相區固溶處理。本發明在保證延伸率的條件下大幅提升了合金的高溫強度。

技術領域

本發明屬于鈦合金技術領域，特別涉及一種硼微合金化高溫鈦合金的成分設計及其淬火時效的熱處理工藝。

背景技術

鈦合金密度小，比強度高，耐腐蝕，熱強性好，是航空、航天中的重要結構材料。在飛機上主要用于機身骨架、蒙皮、起落架、桁條、隔熱罩和殼體等的制造，同時由于鈦合金具有良好的高溫性能，600℃以下鈦合金在比強度、比蠕變強度和比疲勞強度方面較結構鋼、鋁合金以及鎳基高溫合金優勢明顯，以鈦代鎳，可在保持同等強度的條件下，減重1.7倍且服役性能良好，因此鈦合金在航空發動機的耐高溫部位中也有著相當大的應用潛力。近年來，隨著航空、航天事業的迅猛發展，特別是航空發動機的發展，鈦合金材料的需求量也在急劇增加。為了提高航空發動機的推重比，鈦合金被越來越多的應用到壓氣機部件的制造當中，對一臺先進的發動機，高溫鈦合金和鈦合金的用量已分別占到發動機總結構重量的55％-65％和25％-40％。航空發動機性能的不斷提升，對高溫鈦合金的使用溫度提出了更高的要求。 600℃以上的高溫鈦合金的研發迫在眉睫，但傳統的 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型高溫鈦合金使用溫度高于600℃，熱強性與熱穩定性難以匹配協調，并且受合金化手段限制的影響，在保證合金一定熱穩定性的前提下，其高溫強度難以實現較大程度的提升。本發明從成分設計及熱處理工藝控制角度入手，引入微量元素硼使其鑄態下形成均勻分布于原始β晶界上的硼化物晶須，熱處理過程中，這些硼化物晶須的存在有效的抑制了α片層的粗化，保證了合金明顯較高的高溫強度，同時由于其對片層的細化效果顯著，650℃下含硼合金塑性的損傷也較小，這種微合金化手段結合淬火時效的熱處理工藝，有望實現近α型高溫鈦合金高溫綜合性能的進一步的提升。

發明內容

本發明的目的在于克服傳統近α型高溫鈦合金在極限鋁當量的限制下陷入通過合金化手段進一步提升高溫性能的瓶頸，在 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高溫鈦合金的基礎上引入微量硼，通過調整優化淬火時效的熱處理工藝，旨在獲得一種650℃下具有超高強度、塑性匹配的實用型高溫鈦合金。

為實現上述目的，本發明采取以下設計方案。

一種高溫性能優異的硼微合金化高溫鈦合金的制備方法，其特征在于：以傳統近α型的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si合金為基體，加入質量分數為0.08％-0.2％的微合金化元素硼，制備新型耐650℃高溫鈦合金，多向近等溫鍛造后采用β相區淬火兩相區低溫時效的熱處理工藝來大幅提升其高溫性能。含硼合金質量百分比組份Al：6-7％，Sn：2-3％， Zr：8-10％，Mo：0.4-1.0％，Nb：0.5％-1.2％，W：0.5％-1.2％，Si： 0.2％-0.4％，B：0.08％-0.2％余量為Ti。

具體包括以下步驟：

(1)合金原材料的準備：按合金各元素名義重量百分比分別稱取海綿鈦、高純鋁錠、海綿鋯、高純硅、高純硼粉、Ti-Sn中間合金、Al-Mo 中間合金、Al-W中間合金、Al-Nb中間合金為合金熔煉原材料。

(2)熔煉：采用真空感應懸浮熔煉的方法對步驟(1)中稱取的原材料進行熔煉，為確保合金成分的準確性和均勻性，鑄錠反復重熔三遍。熔煉功率控制在160-180KW，待料全部熔化后熔體靜置懸浮60-100s，隨后自然冷卻，第三次重熔后進行澆注，得到所需基體合金和含硼合金。