【CN109536775A】一种高温钛合金及其制备方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(43)申请公布日(21)申请号201910007709.7(22)申请日2019.01.04(71)申请人青海聚能钛业股份有限公司地址810007青海省西宁市西宁经济开发区东川工业园区金鑫路6号(72)发明人杜彬　张志斌　孙少云　王福清　钱光凝　周武　樊晓东　(74)专利代理机构济南千慧专利事务所(普通合伙企业)37232代理人吴绍群(51)Int.Cl.C22C14/00(2006.01)C22F1/18(2006.01)(54)发明名称一种高温钛合金及其制备方法(57)摘要本申请公开了一种高温钛合金材料及其制备方法，属于钛合金领域。该高温钛合金由下述方法制备：将原料制成铸锭后，经锻造和热处理步骤，即制得所述高温钛合金；所述高温钛合金在650℃时:屈服强度≥650MPa，抗拉强度≥580MPa，延伸率≥12％。本申请的高温钛合金的室温和高温的强度、塑性等力学性能优异。权利要求书1页说明书8页附图1页CN109536775A2019.03.29CN109536775A1.一种高温钛合金，其特征在于，所述高温钛合金由下述方法制备得到：将原料制成铸锭后，经锻造和热处理的步骤，即制得所述高温钛合金；所述铸锭由下述重量百分含量的成分组成：Al 6％-7％，Sn 2％-3％，Zr 8％-10％，Mo 0.3％-0.7％，W 0.5％-1.5％，Nb 0.5％-1.5％，Si 0.2％-0.3％，Er 0.05％-0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高温钛合金在650℃时:抗拉强度≥650MPa，屈服强度≥580MPa，延伸率≥12％。2.根据权利要求1所述的高温钛合金，其特征在于，所述高温钛合金在室温时，抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥990MPa，延伸率≥8％。3.一种制备权利要求1或2所述的高温钛合金的方法，其特征在于，所述方法包括：将原料制成铸锭后，经锻造和热处理步骤，即制得所述高温钛合金；所述热处理步骤包括固溶处理，所述固溶处理为在920℃-980℃的温度下至少处理30min；优选地，所述固溶处理为在940℃-950℃的温度下处理60-180min。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固溶处理结束后进行空气冷却或水冷却。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热处理还包括人工时效处理，所述人工时效处理在固溶处理结束后，所述人工时效处理为在650℃-750℃处理至少3h后空气冷却至室温。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述人工时效处理为在700℃处理4h后空气冷却至室温。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述锻造温度为950℃-1050℃；优选的，所述锻造温度为980℃-1020℃。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述锻造包括至少两火次多向锻造，所述两火次多向锻造包括下述步骤：1)将需要加工的钛合金升温至锻造温度后，保温30-50min，然后进行第一火次多向锻造；2)将步骤1)所得钛合金回火保温5-15min，然后进行第二火次多向锻造，空气中冷却；所述第一火次多向锻造和/或第二火次多向锻造的步骤为：轴锻变形量为30～50％，拔长变形量为20～40％；所述第一火次多向锻造和/或第二火次多向锻造结束时钛合金的温度≥900℃，应变速率≤1s-1。9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将原料制成铸锭的操作包括利用真空自耗电弧炉和/或电子束冷床炉和/或磁悬浮进行熔炼的步骤。10.一种高温钛合金，其特征在于，其由权利要求3-9中任一项所述的方法制备。权　利　要　求　书1/1页2CN109536775A2一种高温钛合金及其制备方法技术领域[0001]本申请涉及一种高温钛合金及其制备方法，具体涉及一种耐650℃以上的 高温钛合金及其制备方法，属于钛合金领域。背景技术[0002]高温钛合金具有密度低、比强度高、耐高温、抗蠕变性能以及抗疲劳性能 优异等特点，被广泛应用于先进航空航天发动机和火箭推进系统的耐高温结构 材料。目前高温钛合金的最高使用温度为600℃，随着新型航空航天飞行器飞 行速度的增加，气体热效应造成的飞行器壳体及其发动机部件使用温度瞬时可 达650～750℃，甚至更高，为了适应航空航天快速发展的要求，迫切需要开展 新型耐650℃以上高温钛合金的研制。[0003]中国专利CN 106555076A公开了一种耐650℃高温钛合金材料及其制备 方法。该制备方法为配料、熔炼、铸造和等温锻造，最终得到新型高温钛合金 材料，制备的高温钛合金在650℃条件下的抗拉强度可达672.6MPa，屈服强度 为538.9MPa，延伸率为22.9％，然而在一些应用中需要高温钛合金具有较高 的强度才能满足应用需求，需要提高该高温钛合金的强度。[0004]对于钛合金的高温抗蠕变性能，从蠕变机理考虑，降低合金的高温扩散系 数、增加蠕变过程中位错移动的阻力，能有效改善合金蠕变性能。对于合金热 稳定性能、蠕变性能和疲劳性能的匹配问题，关键是控制初生相的含量和次生 相的尺寸问题，存在的主要困难是近钛合金双向区太窄，很难控制热处理工艺。发明内容[0005]为了解决上述问题，提供了一种高温钛合金，该高温钛合金的室温和高温 的强度与塑性都达到了良好的匹配，具有广阔的应用前景。[0006]所述高温钛合金由下述方法制备得到：将原料制成铸锭后，经锻造和热处 理的步骤，即制得所述高温钛合金；[0007]所述铸锭由下述重量百分含量的成分组成：Al 6％-7％，Sn 2％-3％，Zr 8％ -10％，Mo 0.3％-0.7％，W 0.5％-1.5％，Nb 0.5％-1.5％，Si 0.2％-0.3％，Er 0.05％ -0.2％，余量为Ti和不可避免的杂质；[0008]所述高温钛合金在650℃时：抗拉强度≥650MPa，屈服强度≥580MPa， 延伸率≥12％。所述各元素含量均不为0。[0009]进一步地，所述铸锭由下述重量百分含量的成分组成：Al 6.5％，Sn 2.5％， Zr 9％，Mo 0.5％，W 1％，Nb 1％，Si 0.25％，Er 0.1％，余量为Ti和不可避 免的杂质。[0010]可选地，所述高温钛合金在650℃时：抗拉强度的下限选自650MPa、 660MPa、670MPa或680MPa，上限选自700MPa、750MPa、900MPa或1100MPa； 屈服强度的下限选自580MPa、590MPa或600MPa，上限选自630MPa、650MPa、 700MPa、750MPa、800MPa、900MPa、1000MPa或1100MPa；延伸率的下限 选自12％、14％、16％或18％，上限选自14％、16％、说　明　书1/8页3CN109536775A318％、20％、25％或 30％。[0011]可选地，所述高温钛合金在室温时：抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥ 990MPa，延伸率≥8％。进一步可选地，所述高温钛合金在的室温抗拉强度 1100-1200MPa，屈服强度990-1100MPa，延伸率8％-12.5％。[0012]进一步可选地，所述高温钛合金在的室温时：抗拉强度的下限选自 1120MPa、1140MPa、1160MPa或1180MPa，上限选自1120MPa、1140MPa、 1160MPa或1180MPa；屈服强度的下限选1010MPa、1020MPa、1040MPa、 1060MPa或1080MPa，上限选自1010MPa、1020MPa、1040MPa、1060MPa 或1080MPa；延伸率的下限选自8％、10％、11％或12％，上限选自8％、10％、 11％或12％。[0013]可选地，所述高温钛合金在650℃时的断面收缩率≥14％。进一步地，所 述高温钛合金在650℃时的断面收缩率≥19％。更进一步地，所述高温钛合金 在650℃时的断面收缩率19％-23％。再进一步地，所述高温钛合金在650℃时 的断面收缩率的下限选自20％、21％或22％，上限选自20％、21％或22％。[0014]可选地，所述高温钛合金室温的断面收缩率≥9％。进一步可选地，所述 高温钛合金室温的断面收缩率9％-20％。更进一步可选地，所述高温钛合金室 温的断面收缩率的下限选自10％、12％、14％、16％或18％，上限选自10％、 12％、14％、16％或18％。[0015]可选地，所述热处理步骤包括固溶处理，所述固溶处理为在920℃-980℃ 的温度下至少处理30min。[0016]优选地，所述固溶处理为在940℃-950℃的温度下处理60-180min。[0017]可选地，所述固溶处理结束后进行空气冷却或水冷却。[0018]可选地，所述热处理还包括人工时效处理，所述人工时效处理在固溶处理 结束后，所述人工时效处理为在650℃-750℃处理至少3h后空气冷却至室温。[0019]优选地，所述人工时效处理为在700℃处理4h后空气冷却至室温。[0020]可选地，所述锻造温度为950℃-1050℃；优选的，所述锻造温度为980℃ -1020℃。[0021]根据本申请的另一方面，提供了一种制备的高温钛合金的方法，该方法包 括：将原料制成铸锭后，经锻造和热处理步骤，即制得所述高温钛合金；[0022]所述热处理步骤包括固溶处理，所述固溶处理为在920℃-980℃的温度下 至少处理30min。固溶处理的处理温度、保温时间和快速冷至室温，保留了近 α钛合金产生时效强化的亚稳相β相，促使已经析出的金属间化合物和硅化物 回溶。高温钛合金亚稳β晶粒内部会有细小的α相弥散析出(β→α+β)提高合 金的强度，而析出的细小弥散的硅化物、金属间化合物也将使合金强度进一步 提高。[0023]优选地，所述固溶处理为在940℃-950℃的温度下处理60-180min。进一步 优选地，所述固溶处理为在950℃的温度下处理60min。[0024]可选地，所述固溶处理结束后进行空气冷却(简称空冷/AC)或水冷却(简 称水冷/WQ)，不同冷却速度对组织影响非常显著，炉冷得到的是粗大的魏氏组 织，而提高冷却速度后组织向双态组织转变。相对于空冷，固溶处理后水冷的 组织更加细小。[0025]可选地，所述热处理还包括人工时效处理，所述人工时效处理在固溶处理 结束后，所述人工时效处理为在650℃-750℃处理至少3h后空气冷却至室温。[0026]优选地，所述人工时效处理为在700℃保持4h后空气冷却至室温。说　明　书2/8页4CN109536775A4[0027]可选地，所述锻造的温度为950℃-1050℃。进一步可选地，所述锻造温度 为980℃-1020℃。更进一步可选地，所述锻造的温度为950℃-1000℃。作为一 种实施方式，所述锻造的温度为980℃或1050℃。[0028]可选地，所述锻造包括三火次多向锻造，所述三火次多向锻造包括下述步 骤：[0029]1)将需要加工的钛合金加热至锻造温度后，保温50-60min，将炉温升高 10-100℃后，取出钛合金进行A火次多向锻造；[0030]2)将步骤1)所得钛合金加热至锻造温度后，保温50-60min，将炉温升高 10-100℃后，取出钛合金进行B火次多向锻造；[0031]3)将步骤2)所得钛合金加热至锻造温度后，保温50-60min，将炉温升高 10-100℃后，取出钛合金进行C火次多向锻造，冷却；[0032]所述A火次多向锻造、B火次多向锻造和C火次多向锻造中的至少一次锻 造结束时钛合金的温度≥900℃，应变速率≤1s-1；[0033]所述A火次多向锻造、B火次多向锻造和C火次多向锻造中的至少一次锻 造步骤为：轴锻变形量为20％-25％，拔长变形量为30％-35％，总变形量＞80％。[0034]可选地，每火次锻造多向锻造为三镦三拔或两镦两抜。[0035]可选地，所述锻造包括两火次多向锻造，所述两火次多向锻造包括下述步 骤：[0036]1)将需要加工的钛合金升温至锻造温度后，保温30-50min，然后进行第 一