一种高强韧性短时高温钛合金板材及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高强韧性短时高温钛合金板材及其制备方法和应用，涉及钛合金材料技术领域。按质量百分数计，元素组成包括7％～8％的Al、3％～4％的Sn、10％～12％的Zr、2％～3％的Mo、2％～3％的Nb、1％～2％的W、0.5％～0.7％的Si、余量Ti和微量不可避免的杂质元素。本发明专利技术采用固溶淬火+锻造开坯+双衬板轧制+时效退火的热机械处理工艺，获得晶粒细小、第二相纳米弥散分布、无边裂、兼具优异室温工艺塑性和高温瞬时强度的大尺寸钛合金板材，满足航空航天、军事装备工业对合金材料综合性能的要求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧性短时高温钛合金板材及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及钛合金材料
，特别是涉及一种高强韧性短时高温钛合金板材及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前广泛应用的高温钛合金，如IMI834、Ti1100、BT36、Ti60和Ti600等，它们在600℃时具有优异的高温强度和组织稳定性、以及高的抗氧化能力和蠕变抗力，可以在600℃下长时稳定工作。然而，当超过这一温度时，这些传统高温钛合金的力学性能及抗氧化性将急剧下降，无法满足服役要求，所以开发能够适应现今空天、军工等领域的迅速发展所需求的650～700℃高温钛合金成为亟待解决的关键问题。而用于航天飞行器机身、压气机盘和军事武器零件等有着特殊工作条件的材料而言，由于服役时间短，合金的高温蠕变、疲劳等性能在一定程度内可以被忽略，着重关注其室温工艺塑性和瞬时高温强度，这就为研发更耐高温的新型短时高温钛合金提供了更广阔的思路。目前对650～700℃短时高温钛合金开展了一些研究，例如Ti65、Ti650、BTi
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6431S、BTi
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62421S等，但均处于研发阶段，并未见大规模工程化应用报导，尤其对于大尺寸(宽度≥400mm，长度≥1000mm，厚度在0.2～4mm的板材)的钛合金板材，作为钣金构件坯料和高温承载元件，其室温塑性和650～700℃高温力学性能仍需进一步提升。大量研究表明，热变形是高温钛合金细化粗大初始组织、调控第二相析出与分布、有效提高其综合力学性能的重要手段。然而，由于钛合金变形抗力大、组织演变对热工艺参数敏感，常规的热加工方式如挤压、轧制、锻造难以消除固有缺陷、实现微观组织的精确调控。因此，如何制备针对650～700℃的大尺寸短时高温钛合金板材，是目前现有技术亟需解决的一个技术难题。

技术实现思路

[0003]基于上述内容，本专利技术提供一种高强韧性短时高温钛合金板材及其制备方法和应用，采用固溶淬火+锻造开坯+双衬板轧制+时效退火的热机械处理工艺制备出晶粒细小、第二相纳米弥散分布、无边裂、兼具优异室温工艺塑性和高温瞬时强度的大尺寸钛合金板材，克服了现有技术中针对650～700℃新型短时高温钛合金板材室温塑性和高温强度不足、边裂严重的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]本专利技术技术方案之一，一种高强韧性短时高温钛合金板材，按质量百分数计，元素组成包括7％～8％的Al、3％～4％的Sn、10％～12％的Zr、2％～3％的Mo、2％～3％的Nb、1％～2％的W、0.5％～0.7％的Si、余量Ti和微量不可避免的杂质元素。
[0006]本专利技术技术方案之二，上述的高强韧性短时高温钛合金板材的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将各合金元素原料按照质量百分数比例熔融混合浇铸得到合金铸锭；
[0008]将所述合金铸锭依次进行固溶淬火、锻造开坯、双衬板轧制、时效处理，得到所述
高强韧性短时高温钛合金板材；
[0009]所述固溶淬火具体为：将所述合金铸锭置于硅化物溶解温度以上的温度条件下进行固溶处理，之后用NaCl水溶液淬火处理；
[0010]所述锻造开坯具体为：沿合金试样高度方向进行一道次的锻造墩粗，变形温度低于所述合金铸锭的α+β/β相变温度，锻前保温，工艺变形量为60～80％，应变速率为0.05s
‑1～0.1s
‑1，锻后空冷；
[0011]所述双衬板轧制具体为：在待轧制试样的上下表面各铺设一个硬质合金衬板，在低于所述合金铸锭的α+β/β相变温度的温度条件下保温后同步送入轧辊间进行4～6道次轧制，道次轧制之间进行回炉保温；
[0012]所述时效处理具体为：于650～750℃真空环境中进行时效退火处理，之后空冷。
[0013]进一步地，所述合金铸锭为魏氏组织，包括初始β晶粒，以及β晶粒内部的片层α束域。
[0014]进一步地，所述固溶淬火具体为：将所述合金铸锭置于硅化物溶解温度以上5～20℃的温度条件下固溶2～4h，之后用5～15wt.％NaCl水溶液淬火处理。
[0015]进一步地，所述锻造开坯过程中，变形温度为所述合金铸锭α+β/β相变温度以下80～100℃，锻前保温20～30min。
[0016]进一步地，所述双衬板轧制具体为：在待轧制试样的上下表面各铺设一个硬质合金衬板，在所述合金铸锭α+β/β相变温度以下20～50℃的温度条件下保温20～40min后同步送入轧辊间进行4～6道次轧制，每道次下压量为15％，轧制总下压量为60％～90％，道次轧制之间进行回炉保温，每道次回炉保温的温度、时间相同。
[0017]进一步地，所述时效处理具体为：于650～750℃真空环境中进行4～8h的时效退火处理，真空度为10
‑1～10
‑2Pa，之后空冷。
[0018]本专利技术技术方案之三，上述的高强韧性短时高温钛合金板材在制备航天飞行器机身、压气机盘和军事武器零件中的应用。
[0019]本专利技术技术构思：
[0020](1)合金成分的选取：成分设计上突破了“临界Al当量”和“临界价电子浓度”的设计原则。在已有Ti
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Al
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Sn
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Zr
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Mo
‑
Nb
‑
W
‑
Si系短时高温钛合金成分的基础上，1)提高了Al当量，后续时效处理调控脆性α2相以纳米尺寸析出，发挥弥散强化的作用，合理利用α2相的高温强化效果；2)提高了β稳定元素(Mo、Nb、W、Si)的含量，这几种元素可有效的强化β相，提高合金的热强性，并且可以在合金组织中得到更多的β相，改善其工艺性。过多的β稳定元素的添加将会恶化合金的热稳定性，但是对于短时高温钛合金而言，由于服役时间短，对合金热稳定性要求较低。另外，超过固溶极限的Si将以硅化物的形式析出，硅化物对位错有很强的钉扎作用，并且能有效强化晶界和相界。
[0021](2)合金铸锭：铸态合金为魏氏组织，包括初始β晶粒，以及β晶粒内部的片层α束域。
[0022](3)固溶淬火：由于合金中Zr的含量高(10～12wt.％)，Si在基体中的固溶度显著降低，也就是说，硅化物的溶解温度被大幅提升，根据相图模拟结果，此系列合金的硅化物溶解温度均高于α+β/β相变温度150℃以上，因此铸态合金组织中可能存在一些凝固过程中沿初始β晶界析出的粗大硅化物，这些大尺寸的沿晶界析出的硅化物显然会对合金性能产
生不利影响，所以本专利技术设计将铸态合金在硅化物溶解温度(Ts)以上5～20℃充分固溶，使析出的硅化物重新溶解到基体中。为了保留高温形态并获得细小的马氏体组织，固溶后淬火处理。淬火介质选用NaCl水溶液，可以使合金获得较快的冷却速度并均匀冷却，而且还能将合金表皮的氧化物炸碎剥落。
[0023](4)锻造开坯：淬火后所得的马氏体相α
′
为α
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Ti的过饱和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强韧性短时高温钛合金板材，其特征在于，按质量百分数计，元素组成包括7％～8％的Al、3％～4％的Sn、10％～12％的Zr、2％～3％的Mo、2％～3％的Nb、1％～2％的W、0.5％～0.7％的Si、余量Ti和微量不可避免的杂质元素。2.一种权利要求1所述的高强韧性短时高温钛合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将各合金元素原料按照质量百分数比例熔融混合浇铸得到合金铸锭；将所述合金铸锭依次进行固溶淬火、锻造开坯、双衬板轧制、时效处理，得到所述高强韧性短时高温钛合金板材；所述固溶淬火具体为：将所述合金铸锭置于硅化物溶解温度以上的温度条件下进行固溶处理，之后用NaCl水溶液淬火处理；所述锻造开坯具体为：沿合金试样高度方向进行一道次的锻造墩粗，变形温度低于所述合金铸锭的α+β/β相变温度，锻前保温，工艺变形量为60～80％，应变速率为0.05s
‑1～0.1s
‑1，锻后空冷；所述双衬板轧制具体为：在待轧制试样的上下表面各铺设一个硬质合金衬板，在低于所述合金铸锭的α+β/β相变温度的温度条件下保温后进行4～6道次轧制，道次轧制之间进行回炉保温；所述时效处理具体为：于650～750℃真空环境中进行时效退火处理，之后空冷。3.根据权利要求2所述的高强韧性短时高温钛合金板材的制备方法，其特征在于，所述合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯弘，张长江，连启豪，韩建超，张树志，侯赵平，贾燚，王涛，智少勇，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：