[发明专利]一种含铒高温钛合金及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有稀土元素的高温钛合金及其制备工艺，属于合金技术领域。

背景技术

发展大推重比和长寿命的航空发动机是航空工业的重要目标之一。钛及钛合金因密度小、比强度高等优点，被广泛应用于航空等部门，如F100发动机的钛合金用量占发动机总重量的25％，V2500发动机为31％，F119发动机为39％。高温钛合金主要应用于制造飞机发动机的压气盘、叶片和机匣等，所以高温钛合金必须具有良好的室温性能、高温强度、热稳定性、疲劳性能、断裂性能和蠕变性能。蠕变通常是指在高温持久载荷作用下材料所发生的一种缓慢的塑性变形。位错的滑移和攀移、晶界滑动以及空位扩散都能导致蠕变变形。蠕变伸长量达到一定值时可引起材料的蠕变断裂。材料长期在高温下服役时强度和塑性都会有不同程度的下降，其原因在于：第一，合金长时间在高温下工作时有序相Ti3Al析出，降低合金塑性；第二，高温下，合金表面形成一个富氧层，从而降低合金的力学性能。所以高温钛合金在服役条件下的蠕变性能和热稳定性决定了它的使用寿命和发动机的安全可靠。

高温钛合金的使用温度由早期的400℃上升到如今的600℃经历了40多年的时间。600℃高温钛合金是当今钛合金研究领域的重点。600℃已经是常规钛合金的极限使用温度。

因此，提供一种应用于航空发动机等有耐高温、长寿命要求的，并且具有优良蠕变性能和热稳定性的高温钛合金对该技术领域非常有意义。

随着使用温度的不断升高，高温钛合金朝着合金多元化发展。目前600℃高温钛合金的主要元素有Al、Sn、Zr、Mo和Si。600℃高温钛合金的四类典型高温钛合金IMI834、Ti1100、BT36和Ti60都是在Al-Sn-Zr-Mo-Si系的基础上发展的，见表1(表中名义成分中的数字为质量百分比)。

表1典型600℃高温钛合金的成分及性能特点

Al是高温钛合金中最为重要的元素，为了最大限度地发挥Al的固溶强化作用且避免过量的Al导致脆性相的析出，Al的加入质量分数控制在6％(质量分数，下同)左右。Sn和Zr同属于在α-Ti和β-Ti中均有较大固溶度的中性元素，它们与其他元素一起加入可以进一步提高合金的耐热性。经验证明当所加入的合金元素满足铝当量公式：[Al_eq]＝％Al+1/3％Sn+1/6Zr+10％O≤9％(10％O可认为等于1)时较为合适，此时不会导致脆性α₂相的大量析出。根据此经验公式来调整Sn和Zr的添加量。Mo是弱的β稳定化元素，能有效提高钛合金的室温和高温强度，是多数钛合金的一种主要组元，其质量分数一般小于1％。Nb也是弱的β稳定化元素，与Mo共同起固溶强化作用。Si在高温钛合金中是一种非常重要的元素，几乎所有的高温钛合金中都含有0.1％-0.5％的Si，Si的加入可以明显改善合金的蠕变性能。

高温钛合金发展的一个重要趋势是稀土元素的应用。我国在这方面做出了巨大贡献，已经研制出的含有稀土元素的高温钛合金有Ti-55、Ti633G、Ti-60和Ti600，它们分别含有0.66％的Nd、0.62％的Nd、0.2％的Gd和0.1％的Y。稀土元素是一种强烈的脱氧剂，能有效夺取合金中的氧，通过内氧化形成稀土氧化物，如RE2O3、RExMy，从而净化基体，稀土元素能抑制Ti3Al的析出与长大，提高热稳定性；稀土元素还能使硅化物细小均匀析出，提高蠕变性能。所以本发明也添加了稀土元素。

在钛合金的加工中，为了能够生产出性能和组织都符合设计要求的产品，我们需要考虑到变形工艺、组织特点和机械性能这些重要的冶金因素。由于各冶金因素之间存在着一定的关系，工艺研究就显得十分必要了。由于钛合金冷加工非常困难，锻造是生产钛合金零件的重要途径。

锻造温度对钛合金高温和室温性能的影响不一样。在高于β转变温度锻造时，合金的持久性能、抗蠕变性能和断裂性能好；而低于β转变温度锻造时，上述性能则较差。钛合金在不同温度下锻造的性能相差较大，原因在于不同温度下锻造后的组织不一样。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于航空发动机等有耐高温、长寿命要求的，并且具有优良蠕变性能和热稳定性的高温钛合金及其制备方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的。

一种高温钛合金，包括6.0wt％的Al；2.5wt％的Sn；4wt％的Zr；0.3wt％Mo；1％的Nb；0.35wt％的Si；0.1wt％-0.3wt％的Er；杂质元素O的含量控制在0.088wt％-0.090wt％之间，余量为Ti。