[发明专利]一种高温性能优异的硼微合金化高温钛合金及其制备方法

说明书

一种高温性能优异的硼微合金化高温钛合金及其制备方法，属于钛合金技术领域。硼微合金化高温钛合金质量百分比组份Al：6‑7％，Sn：2‑3％，Zr：8‑10％，Mo：0.4‑1.0％，Nb：0.5％‑1.2％，W：0.5％‑1.2％，Si：0.2％‑0.4％，B：0.08％‑0.2％余量为Ti，采用真空感应悬浮熔炼的方法合成制备含硼高温钛合金，设计成分配料熔炼，为获得含硼高温钛合金。对获得的合金进行表面处理，随后进行多向近等温锻造，锻造总变形量＞70％，初始锻造温度为980℃。对锻造后的含硼合金进行1010℃/1h/WQ的β相区固溶处理。本发明在保证延伸率的条件下大幅提升了合金的高温强度。

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，特别涉及一种硼微合金化高温钛合金的成分设计及其淬火时效的热处理工艺。

背景技术

钛合金密度小，比强度高，耐腐蚀，热强性好，是航空、航天中的重要结构材料。在飞机上主要用于机身骨架、蒙皮、起落架、桁条、隔热罩和壳体等的制造，同时由于钛合金具有良好的高温性能，600℃以下钛合金在比强度、比蠕变强度和比疲劳强度方面较结构钢、铝合金以及镍基高温合金优势明显，以钛代镍，可在保持同等强度的条件下，减重1.7倍且服役性能良好，因此钛合金在航空发动机的耐高温部位中也有着相当大的应用潜力。近年来，随着航空、航天事业的迅猛发展，特别是航空发动机的发展，钛合金材料的需求量也在急剧增加。为了提高航空发动机的推重比，钛合金被越来越多的应用到压气机部件的制造当中，对一台先进的发动机，高温钛合金和钛合金的用量已分别占到发动机总结构重量的55％-65％和25％-40％。航空发动机性能的不断提升，对高温钛合金的使用温度提出了更高的要求。 600℃以上的高温钛合金的研发迫在眉睫，但传统的 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型高温钛合金使用温度高于600℃，热强性与热稳定性难以匹配协调，并且受合金化手段限制的影响，在保证合金一定热稳定性的前提下，其高温强度难以实现较大程度的提升。本发明从成分设计及热处理工艺控制角度入手，引入微量元素硼使其铸态下形成均匀分布于原始β晶界上的硼化物晶须，热处理过程中，这些硼化物晶须的存在有效的抑制了α片层的粗化，保证了合金明显较高的高温强度，同时由于其对片层的细化效果显著，650℃下含硼合金塑性的损伤也较小，这种微合金化手段结合淬火时效的热处理工艺，有望实现近α型高温钛合金高温综合性能的进一步的提升。

发明内容

本发明的目的在于克服传统近α型高温钛合金在极限铝当量的限制下陷入通过合金化手段进一步提升高温性能的瓶颈，在 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高温钛合金的基础上引入微量硼，通过调整优化淬火时效的热处理工艺，旨在获得一种650℃下具有超高强度、塑性匹配的实用型高温钛合金。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案。

一种高温性能优异的硼微合金化高温钛合金的制备方法，其特征在于：以传统近α型的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si合金为基体，加入质量分数为0.08％-0.2％的微合金化元素硼，制备新型耐650℃高温钛合金，多向近等温锻造后采用β相区淬火两相区低温时效的热处理工艺来大幅提升其高温性能。含硼合金质量百分比组份Al：6-7％，Sn：2-3％， Zr：8-10％，Mo：0.4-1.0％，Nb：0.5％-1.2％，W：0.5％-1.2％，Si： 0.2％-0.4％，B：0.08％-0.2％余量为Ti。

具体包括以下步骤：

(1)合金原材料的准备：按合金各元素名义重量百分比分别称取海绵钛、高纯铝锭、海绵锆、高纯硅、高纯硼粉、Ti-Sn中间合金、Al-Mo 中间合金、Al-W中间合金、Al-Nb中间合金为合金熔炼原材料。

(2)熔炼：采用真空感应悬浮熔炼的方法对步骤(1)中称取的原材料进行熔炼，为确保合金成分的准确性和均匀性，铸锭反复重熔三遍。熔炼功率控制在160-180KW，待料全部熔化后熔体静置悬浮60-100s，随后自然冷却，第三次重熔后进行浇注，得到所需基体合金和含硼合金。