[发明专利]一种高强韧性短时高温钛合金板材及其制备方法和应用

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及钛合金材料技术领域，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。

背景技术

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-6431S、BTi-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。

发明内容

基于上述内容，本发明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。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明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。

本发明技术方案之二，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：

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；