[發(fā)明專利]一種高性能近α高溫鈦合金及其粉末冶金制備方法

有效

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• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112322933B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 武曉剛;張德良;張博文;張有鋆
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/05;B22F3/02;B22F3/10;B22F3/20;B22F3/24
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 馬海芳

一種高性能近α高溫鈦合金及其粉末冶金制備方法，屬于鈦合金材料技術(shù)領(lǐng)域。該高性能近α高溫鈦合金，包括的成分及各個成分的質(zhì)量百分比為：Al：5.0～7.5％，Sn：1.0～3.5％，Zr：3.0～5.5％，Mo：1～3.5％，Si：0.05～1.5％，O≤0.36％，余量為Ti。通過混合元素粉末冶金法即混合粉末+壓制成坯+燒結(jié)+擠壓成形+熱處理制備具有細小α片層和不連續(xù)β/β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的新型魏氏組織的高性能近α高溫鈦合金，其中，β轉(zhuǎn)變組織內(nèi)析出了高密度的納米針狀α，同時材料利用率接近100％且成本低。所提供的制備方法簡單、成本低廉，所得近α高溫鈦合金材料具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈦合金材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高性能近α高溫鈦合金及其粉末冶金制備方法。

背景技術(shù)

由于鈦合金的低密度，高比強度，出色的高溫機械性能和良好的抗氧化性，在航空航天，船舶，汽車發(fā)動機，化學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著航空發(fā)動機的飛速發(fā)展，高推重比航空發(fā)動機對新型輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料的要求越來越高，對耐更高溫度的新型高溫鈦合金的研發(fā)及先進的成形工藝的開發(fā)也迫在眉睫。典型的近α高溫鈦合金Ti6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，wt％)因其高強度，低密度和出色的高溫性能，已成功應(yīng)用于F414、F119、TRENT800等先進的軍用和民用航空發(fā)動機上，是565℃壓氣機盤和葉片的首選鈦合金材料，工作溫度可高達565℃。近年來，已經(jīng)開發(fā)了一些新穎的高溫鈦合金以進一步提高工作溫度并改善機械性能。與普通的高溫合金相比，這些新穎的高溫鈦合金體系大都以Ti-A1-Sn-Zr-Mo-Si為主，其服役溫度從300℃提高到650℃，其服役溫度和性能的提升多以提高合金化程度的固溶強化為主要強化手段，通常將更多的合金元素(Sn、Mo、Nb、V、Ta、W等)添加到近α的鈦合金中以獲得更多的固溶體強化合金。由于間隙溶質(zhì)元素(O，C，N等)和替代溶質(zhì)元素(Al，Sn，Zr，Mo，Si，Nb，Ta等)是位錯滑移和攀移的有效屏障，隨著合金元素含量的增加，合金強度增強，但是這勢必會造成服役條件下組織穩(wěn)定性的降低，從而限制高溫鈦合金的使用溫度。進一步提高合金的合金化程度也會使原材料成本增加。鑄錠冶金-機加工相結(jié)合的傳統(tǒng)高溫鈦合金零部件制備工藝路徑的材料利用率非常低，通常僅為10％以下，按國際通用的說法就是材料采購量和飛機上使用量的比值非常高(High buy-to-flyratio)，同時鈦合金又屬于難加工金屬，加工速度慢，單位加工成本高。這些因素造成高溫鈦合金零部件和結(jié)構(gòu)部件價格居高不下，對于大多數(shù)工程應(yīng)用，包括一些型號批量生產(chǎn)的飛機，都難以承受使用鈦合金零部件和結(jié)構(gòu)部件的成本。因此國家制造工業(yè)的發(fā)展迫切需要低成本高性能的高溫鈦合金零部件和型材。

目前，高溫鈦合金的制備主要采用的是鑄錠冶金工藝，材料制備周期長，熔煉及高溫鍛造的能量消耗大，設(shè)備經(jīng)費投入大，這使得采用鑄錠冶金工藝制備的材料成本較高。此外，傳統(tǒng)的鑄造工藝通常容易發(fā)生成分偏析和微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性等缺陷而導(dǎo)致力學(xué)性能較差。粉末冶金(PM)技術(shù)，即混合粉末+壓制成坯+燒結(jié)，是一種眾所周知的制備具有均勻微觀結(jié)構(gòu)而沒有合金元素偏析的金屬材料的方法，同時材料使用率高、工藝流程短且成本低。混合元素粉末冶金(BE-PM)方法被認為是制造高溫鈦合金和近凈成形鈦合金零部件的可行且具有成本效益的途徑。但是,與鑄錠冶金(IM)鈦合金相比，PM鈦合金存在相對致密度較差和高氧污染等缺陷，這可能會使機械性能惡化。熱機械加工被認為是通過去除殘留孔洞來改善鈦合金機械性能的可靠而有效的方法。熱擠壓是一種常見的熱變形過程，其中材料被加熱到高于在再結(jié)晶溫度并被擠壓。燒結(jié)坯料的熱擠壓不僅可以消除內(nèi)部孔隙，而且大的塑性變形可以破壞粗大的組織和驅(qū)動β晶粒的動態(tài)再結(jié)晶，從而實現(xiàn)晶粒細化，這兩者均有利于提高機械性能。同時擠壓后的后續(xù)退火處理對合金的組織和性能也有很大影響，微觀組織調(diào)控也是提高高溫鈦合金更高溫度下的服役性能的最為有效的手段。

然而，當前粉末冶金鈦合金主要以氫化脫氫的純鈦粉末為主要原材料，粉末氧含量較高且普通的燒結(jié)方式很難制備出組織精細且高致密度的鈦合金材料。并且當前粉末冶金鈦合金，其氧含量高、致密度不足、燒結(jié)態(tài)組織粗大、機械性能不理想，很難達到國家精尖科技領(lǐng)域的要求。

發(fā)明內(nèi)容