一种高性能近α高温钛合金及其粉末冶金制备方法技术

一种高性能近α高温钛合金及其粉末冶金制备方法，属于钛合金材料技术领域。该高性能近α高温钛合金，包括的成分及各个成分的质量百分比为：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％，余量为Ti。通过混合元素粉末冶金法即混合粉末+压制成坯+烧结+挤压成形+热处理制备具有细小α片层和不连续β/β转变组织构成的新型魏氏组织的高性能近α高温钛合金，其中，β转变组织内析出了高密度的纳米针状α，同时材料利用率接近100％且成本低。所提供的制备方法简单、成本低廉，所得近α高温钛合金材料具有优异的室温和高温力学性能。材料具有优异的室温和高温力学性能。材料具有优异的室温和高温力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能近
α
高温钛合金及其粉末冶金制备方法


[0001]本专利技术属于钛合金材料
，特别涉及一种高性能近α高温钛合金及其粉末冶金制备方法。

技术介绍

[0002]由于钛合金的低密度，高比强度，出色的高温机械性能和良好的抗氧化性，在航空航天，船舶，汽车发动机，化学设备等领域得到了广泛应用。但是随着航空发动机的飞速发展，高推重比航空发动机对新型轻质耐高温结构材料的要求越来越高，对耐更高温度的新型高温钛合金的研发及先进的成形工艺的开发也迫在眉睫。典型的近α高温钛合金Ti6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，wt％)因其高强度，低密度和出色的高温性能，已成功应用于F414、F119、TRENT800等先进的军用和民用航空发动机上，是565℃压气机盘和叶片的首选钛合金材料，工作温度可高达565℃。近年来，已经开发了一些新颖的高温钛合金以进一步提高工作温度并改善机械性能。与普通的高温合金相比，这些新颖的高温钛合金体系大都以Ti-A1-Sn-Zr-Mo-Si为主，其服役温度从300℃提高到650℃，其服役温度和性能的提升多以提高合金化程度的固溶强化为主要强化手段，通常将更多的合金元素(Sn、Mo、Nb、V、Ta、W等)添加到近α的钛合金中以获得更多的固溶体强化合金。由于间隙溶质元素(O，C，N等)和替代溶质元素(Al，Sn，Zr，Mo，Si，Nb，Ta等)是位错滑移和攀移的有效屏障，随着合金元素含量的增加，合金强度增强，但是这势必会造成服役条件下组织稳定性的降低，从而限制高温钛合金的使用温度。进一步提高合金的合金化程度也会使原材料成本增加。铸锭冶金-机加工相结合的传统高温钛合金零部件制备工艺路径的材料利用率非常低，通常仅为10％以下，按国际通用的说法就是材料采购量和飞机上使用量的比值非常高(High buy-to-fly ratio)，同时钛合金又属于难加工金属，加工速度慢，单位加工成本高。这些因素造成高温钛合金零部件和结构部件价格居高不下，对于大多数工程应用，包括一些型号批量生产的飞机，都难以承受使用钛合金零部件和结构部件的成本。因此国家制造工业的发展迫切需要低成本高性能的高温钛合金零部件和型材。
[0003]目前，高温钛合金的制备主要采用的是铸锭冶金工艺，材料制备周期长，熔炼及高温锻造的能量消耗大，设备经费投入大，这使得采用铸锭冶金工艺制备的材料成本较高。此外，传统的铸造工艺通常容易发生成分偏析和微观结构异质性等缺陷而导致力学性能较差。粉末冶金(PM)技术，即混合粉末+压制成坯+烧结，是一种众所周知的制备具有均匀微观结构而没有合金元素偏析的金属材料的方法，同时材料使用率高、工艺流程短且成本低。混合元素粉末冶金(BE-PM)方法被认为是制造高温钛合金和近净成形钛合金零部件的可行且具有成本效益的途径。但是,与铸锭冶金(IM)钛合金相比，PM钛合金存在相对致密度较差和高氧污染等缺陷，这可能会使机械性能恶化。热机械加工被认为是通过去除残留孔洞来改善钛合金机械性能的可靠而有效的方法。热挤压是一种常见的热变形过程，其中材料被加热到高于在再结晶温度并被挤压。烧结坯料的热挤压不仅可以消除内部孔隙，而且大的塑性变形可以破坏粗大的组织和驱动β晶粒的动态再结晶，从而实现晶粒细化，这两者均有利
于提高机械性能。同时挤压后的后续退火处理对合金的组织和性能也有很大影响，微观组织调控也是提高高温钛合金更高温度下的服役性能的最为有效的手段。
[0004]然而，当前粉末冶金钛合金主要以氢化脱氢的纯钛粉末为主要原材料，粉末氧含量较高且普通的烧结方式很难制备出组织精细且高致密度的钛合金材料。并且当前粉末冶金钛合金，其氧含量高、致密度不足、烧结态组织粗大、机械性能不理想，很难达到国家精尖科技领域的要求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种高性能近α高温钛合金及其粉末冶金制备方法，该高性能近α高温钛合金是一种具有新型微观组织的高性能近α高温钛合金，其制备方法为粉末冶金方法，并且在粉末冶金方法的基础上，结合原料的选取，并进行热挤压和后续热处理过程，从而改变其微观组织结构，提高钛合金的机械性能。其制备方法具有方法简单，成本低的特点。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术的一种高性能近α高温钛合金，包括的成分及各个成分的质量百分比为：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％，余量为Ti；
[0008]所述的高性能近α高温钛合金，其室温下屈服强度≥1080MPa，抗拉强度≥1212MPa，延伸率≥14％，在600℃下屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥715MPa，延伸率≥26％。
[0009]所述的高性能近α高温钛合金，具有不连续的β转变组织中析出了纳米针状α相的微观结构，这种特殊的网篮组织达到了强度和塑性的同步提高。
[0010]其中，高性能近α高温钛合金中氧的质量百分含量为≤0.36wt％，高性能近α高温钛合金的相对密度为≥99.6％。合理控制的氧含量和高致密度也是获得高强度和高塑性的重要保障。
[0011]进一步的，所述的高性能近α高温钛合金，优选的成分及各个成分的质量百分比为：Al：5.5～7.0％，Sn：1.5～3.0％，Zr：3.5～5.0％，Mo：1.5～3.0％，Si：0.1～1.0％，O≤0.36％，余量为Ti。
[0012]进一步的，所述的高性能近α高温钛合金，其微观组织为细小α片层和不连续β/β转变组织构成的新型魏氏组织，其中，不连续β/β转变组织分布在α片层中，不连续β/β转变组织包括β相和β转变组织，并且在β转变组织内析出了纳米针状α相；其中，α片层组织的体积分数为75.5-79.8％，余量为不连续β/β转变组织；α片层组织的厚度为0.4-2.5μm，纳米针状α相的宽度为20-45nm。
[0013]本专利技术的一种高性能近α高温钛合金的粉末冶金制备方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1：备料
[0015]根据制备的高性能近α高温钛合金的成分，准备原料；各个成分的原料的粒径为100～300目；其中，Ti的原料为TiH2粉；
[0016]步骤2：混合粉末
[0017]在保护气氛下，将各个原料充分混合，得到混合物料；
[0018]步骤3：压制成坯
[0019]将混合物料填充在模具中，震动紧实后，在200-900MPa的压力下保压60～900s进行冷压压制成坯，得到粉末压坯；
[0020]步骤4：烧结和热挤压
[0021]在无氧环境下，将粉末压坯以50～200℃/min的加热速率加热至1000～1100℃，随后以10～100℃/min的加热速率加热至1150～1350℃并保温2～10min，得到烧结后的烧结坯料；
[0022]将温度为1150～1350℃的烧结坯料置于温度为200～450℃的挤压筒中并进行热挤压，得到高致密度的高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能近α高温钛合金，其特征在于，包括的成分及各个成分的质量百分比为：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％，余量为Ti；所述的高性能近α高温钛合金，其室温下屈服强度≥1080MPa，抗拉强度≥1212MPa，延伸率≥14％，在600℃下屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥715MPa，延伸率≥26％。2.根据权利要求1所述的高性能近α高温钛合金，其特征在于，所述的高性能近α高温钛合金，包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al：5.5～7.0％，Sn：1.5～3.0％，Zr：3.5～5.0％，Mo：1.5～3.0％，Si：0.1～1.0％，O≤0.36％，余量为Ti。3.根据权利要求1所述的高性能近α高温钛合金，其特征在于，所述的高性能近α高温钛合金，其微观组织为细小α片层和不连续β/β转变组织构成的新型魏氏组织，其中，不连续β/β转变组织分布在α片层中，不连续β/β转变组织包括β相和β转变组织，并且在β转变组织内析出了纳米针状α相；其中，α片层组织的体积分数为75.5-79.8％，余量为不连续β/β转变组织；α片层组织的厚度为0.4-2.5μm，纳米针状α相的宽度为20-45nm。4.权利要求1-3任意一项所述的高性能近α高温钛合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：备料根据制备的高性能近α高温钛合金的成分，准备原料；各个成分的原料的粒径为100～300目；其中，Ti的原料为TiH2粉；步骤2：混合粉末在保护气氛下，将各个原料充分混合，得到混合物料；步骤3：压制成坯将混合物料填充在模具中，震动紧实后，在200-900MPa的压力下保压60～900s进行冷压压制成坯，得到粉末压坯；步骤4：烧结和热挤压在无氧环境下，将粉末压坯以50～200℃/min的加热速率加热至1000～1100℃，随后以10～100℃/min的加热速率加热至1150～1350℃并保温2～10min，得到烧结后的烧结坯料；将温度为1150～...

【专利技术属性】
技术研发人员：武晓刚，张德良，张博文，张有鋆，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：