专利名称：一种具有细片层显微组织钛合金及其制造方法
技术领域：
本发明属于钛基合金的技术领域，具体涉及到一种具有细片层显微组织钛基合金 及其制造方法。
背景技术：
为满足减重及提高飞行器推重比的设计要求，需要尽可能提高具有高比强度的钛 合金材料的使用量。近年来国内外飞行器上钛合金的使用量呈大幅增加的趋势，钛合金使 用量以及使用水平已经成为衡量国内外航空航天技术及飞行器性能先进程度的一项重要 指标。显微组织控制技术是钛合金设计和使用者共同关心的重要课题。钛合金有3种典 型的显微组织结构等轴组织、双态组织和片层组织，见图l(a-d)。不同的显微组织，力学 性能也不相同。因此，我们可以根据用途的不同来选择合金的显微组织。与同材质其它显 微组织相比，钛合金片层状组织具有高疲劳裂纹扩展抗力、高断裂韧性和高蠕变抗力，这对 航空发动机耐高温部件和飞机结构件损伤容限设计具有很大的吸引力。然而通过传统工艺 获得的片层状组织原始β晶粒尺寸粗大(> 500 μ m)，导致该类组织的强度、塑性、疲劳裂 纹萌生抗力、疲劳短裂纹扩展抗力和低周疲劳性能都有明显降低。如何利用该组织的优点 同时避免其缺点，就必须设法降低上述片层状组织的原始β晶粒尺寸。为了达到此目的， 人们曾采用向钛合金中加C或B的办法，试图利用碳化物或硼化物选择在β晶界析出，可 阻碍β晶粒长大的特性，来达到降低原始β晶粒尺寸的目的。但由于碳化物或硼化物使 晶界弱化，材料发生沿晶断裂倾向增加，材料塑性和强度明显降低，甚至达不到晶粒细化前 的水平。近年来，人们也采用了近β锻或准β锻工艺，来获得一些具有片层状组织特征的 显微组织如三态组织和变形魏氏组织等。这些组织具有片层组织的部分优点，克服了其明 显缺点，但是工艺控制难度大，对合金成分均勻性要求严格。
发明内容
本发明的目的是要寻找一种获得“细”片层钛合金显微组织的方法，该“细”片层 组织在形貌上与普通粗大片层组织相同，但其原始β晶粒尺寸明显比后者小，综合性能比 后者有明显改善。该方法包括合金成分、冶炼、热加工和热处理四个基本组成要素。本发明人经过长期得理论和实验研究，提出了一种可获得“细片层”显微组织钛合 金的合金，其特征在于1)加入一定量的Si元素，使合金在一定条件下可析出Ti5Si3或Ti2Si型硅化物；2)控制影响硅化物溶解温度的合金元素Zr、Sn以及β稳定元素的加入量，保证 钛合金的α+β/β相变点低于硅化物的溶解温度；3)合金最后阶段的热加工加热温度需控制硅化物溶解温度以下，并要求在α +β 相区有适当变形，而且经过热处理后其原始β晶粒尺寸在200 μ m以下并呈细片层状结构。按照上述原则，本发明给出了如下的细片层显微组织的钛合金，其成分组成(按重量百分数计算)为Al 彡 6. 5 ；Sn ^ 8. 0 ；Zr3. 0 10. 0 ；Mo ^ 1. 0 ；Si 0. 30 0. 70 ； Nb彡1. 0 ；Ta彡5. 0 ;C彡0. 08，余量为Ti和不可避免的杂质元素。作为一个较为合适的、综合性能较好的配方，本发明的细片层显微组织的钛合金， 其成分组成(按重量百分比计算)可以是Α13.0 6. 5;Snl.O 7.0;Zr4.0 10.0; MoO. 0 1. 0 ；SiO. 35 0. 70 ；NbO. 0 1. 0 ；TaO. 0 5. 0 ;C 0. 001 0. 06 ；余量为 Ti 和 不可避免的杂质元素。下面将具体描述本发明中合金元素的选择原则和依据。本发明中细化晶粒的方法主要是通过硅化物阻碍晶粒长达来实现的，因此Si是 必须添加的元素，而且其含量必须大于0. 3fft% ；但为了防止硅化物过大，则必须将Si含量 限制在0. 7Wt%以下。发明人通过理论计算和实验验证还发现，除Si外，合金中Ir元素含量增加，材料 α+β/β相变点呈降低趋势，硅化物溶解温度呈明显升高的趋势，因此ττ是一种理想的加 入元素。Sn元素含量增加，钛合金α + β / β相变点基本保持不变，而硅化物溶解温度呈明 显升高的趋势。高温钛合金中加入Sn还可在较少或不降低合金塑性的前提下提高材料强 度，因此Sn也是一种比较理想的添加元素；强β稳定元素Mo含量增加，硅化物溶解温度呈明显降低的趋势，但Ta、Nb等弱β 稳定元素含量增加，材料相变点和硅化物的溶解温度的变化趋势与ττ的作用相似，为获得 细片层状显微组织，强β稳定元素含量要控制，但可添加Ta、Nb等弱β稳定元素。这两种 元素对本专利细片层组织的获得并不是必须的，但Nb、Ta元素的添加，除具有固溶强化作 用外，还具有提高材料抗氧化性的作用。因此从应用角度，可加入一定量的Nb和Ta改善材 料强度和抗氧化性。但必须控制其加入量为Nb ^ 1. Offt% ；Ta ^ 5. 0Wt%。Al、C、0等强α稳定元素会明显提高材料相变点，原则上宜加以控制，但Al元素 是钛合金中最常见的一种合金化元素，在某些合金中是不可或缺的，本发明人还发现，Al含 量在6. 5wt. %之内，可获得本专利的细片层组织；C在0. 08Wt%之内，也可获得本专利的细 片层组织；0是杂质元素，须控制在0. 15Wt%以下。在本专利的成分范围内，当合金中Al、 C加入量较多时，0应尽可能控制在下限；当A1、C加入量较少时，对0含量的控制可适当予 以放宽。在Al、C、0等元素存在的情况下，需要调整Si、Zr等合金元素的加入量使硅化物 的溶解温度高于合金的α+β/β相变点。其次是合金熔炼。本发明中的合金需经两次或两次以上真空自耗熔炼，以利于合 金化元素的均勻分布，提高材料组织性能的均勻性；再次是热加工工艺。本发明要求材料在热加工的最后阶段，加热温度必须控制硅 化物溶解温度以下，最后1 2火次要求在α +β相区有适当变形，以获得细小均勻的热加 工态组织。最后是热处理工艺控制。为获得片层状组织，热处理温度必须在相变点以上，为防 止β晶粒长大，需要控制热处理温度在硅化物的溶解温度以下，使固溶处理过程中有足够 的硅化物存在，阻碍β晶粒长大。本发明的创新点就利用硅化物在一定成分条件下其溶解温度可高于钛合金 α+β/β相变点的研究结果，通过对钛合金成分、熔炼、热加工以及热处理的综合控制，得到了一种原始β晶粒尺寸在200 μ m以下的细片层组织，为传统片层组织原始β晶粒尺寸 的1/3甚至更小。该组织室温、高温拉伸强度、蠕变及持久强度比相同成分的双态组织高， 室温塑性比常规片层组织有大幅度提高，完全克服了传统粗大片层状组织强度低、塑性差 的不足，保持了其蠕变、持久抗力高的优点，有望在航空发动机高温部位得到应用。本发明成分范围内钛合金的冶炼工艺如下原材料采用0级海绵钛，合金元素Si 以Al-Si中间合金、Zr以纯金属(0级海绵Zr)、Sn以TiSn中间合金的形式加入，其它合金 化元素如Al、Mo、Nb、Ta等分别以高纯铝豆、Al-Mo中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Ta-Ti中 间合金的形式加入。中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成小电极。将若干支小 电极组焊在一起，放入真空自耗电极电弧炉中熔炼2次或两次以上，制成合金铸锭。铸锭在 切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。为获得均勻细小的热加工态组织，同时使热加工态组织中有均勻弥散的硅化物存 在，最后几个火次的热加工加热温度必须控制在硅化物溶解温度_20°C以下，最后1 2火 次加热温度最好在α+β两相区，推荐采用如下热加工工艺在α + β / β相变点以上100°C 200°C加热，用水压机或锻锤对铸锭进行常规的 开坯，然后根据产品形状以及采用的设备的不同，分别进行以下操作1.盘形锻件a)在硅化物溶解温度以下20 70°C镦拔或拔长，X^ 2. 0，锻后水淬或油淬；对 于镦拔工艺，单火次锻压比Y单=Y拔*Y辙。b)i3相区(α+β/β相变点上10°C 40°C )镦拔或镦/拔，Y单彡4. 0，锻后水淬 或油淬；c)硅化物溶解温度以下30°C 90°C )镦拔或拔长，可采用多火次加热，要求总锻 压比Y总彡6. 0，Y总=Y单JY单^……，锻后水淬或油淬；2.棒形件a) β相区加热(α+β/β相变点上10°C 50°C )，用水压机或锻锤锻造制坯，锻 压比彡2.0，锻后油淬或水淬；b)硅化物溶解温度以下30°C 90°C加热，用精锻机锻棒，总锻压比7. 0，可 以多火次完成，最后一火次锻压比Y彡4. 0，或c)硅化物溶解温度以下30°C 80°C加热，用精锻机/水压机/锻锤制备轧棒坯 料，变形量S彡40%或锻压比Y彡1. 5 ；硅化物溶解温度以下30°C 90°C加热，用轧机轧 棒，变形量彡60%。热处理在α+β/β相变点(Τα+晴)和硅化物溶解温度(TsJ之间固溶处理 /0. 5 4h，油淬或空冷+600 750°C /2 10h，空冷。
图1为钛合金典型的三种显微组织，其中(a)为等轴组织；(b)为双态组织，(C) 为传统粗大片层组织；图2为采用近β锻或准β锻工艺获得的具有片层状组织特征的显 微组织，其中(a)为变形魏氏组织，(b)为“三态”组织；图3为本发明实施例1的细片层状 组织和对比例的双态组织，其中(a)为本发明的细片层状组织，(b)为作为对比例的双态组 织。图4(a)为本发明实施例2的细片层组织，(b)和(c)是作为对比例的相同成分的双态和粗片层组织。图5为本发明实施例3的细片层组织。
具体实施例方式实施例1按下述配方Al5. 8fft- % ； Sn 4. Offt- % ；Zr 5. Offt- % ；Mo 0. 40fft- % ； SiO. 5fft-%;Nb 0. 4fft-%;Ta 2. 5fft-%;C 0. 05Wt_%和余量的 Ti。将海绵钛、纯铝、海绵锆 和中间合金混料后压制成电极，装入真空自耗电弧炉中进行真空熔炼得到钛合金铸锭。采 用金相法测得材料α + β / β相变点Ta = 1040°C，硅化物溶解温度Tstjl = 1055°C。铸锭 在切除帽口、扒除表面缺陷后，在1150°C用水压机开坯、在1060°C (Ta+e/e+20°C )加热条件 下用水压机或锻锤制成Φ120的坯料，用精锻机分两火锻成Φ32的精锻棒，其中第一火加 热温度为 IOlO0C (Tsol-45,Ta + 0/f!-3OoC )，锻压比为 4 ；第二火加热温度 1000°C (Tsol-55°C, Ta+e/e-4(TC)，锻压比为4。，热处理制度为1045°C/2h固溶、空冷+700°C/2h时效。图3 (a) 为获得的细片层组织金相照片，作为对比例的图3(b)，其成分冶炼工艺相同，采用常规的钛 合金加工和热处理工艺。表1和2为上述两者对应的力学性能。可见，本发明细片层组织 除室温和650°C断面收缩率较与其同成分的双态组织(对比例)略有降低外，强度包括蠕 变、持久强度都比双态组织高。表1实施例1 室温和高温拉伸
权利要求
一种具有细片层显微组织的钛合金，其特征在于1)加入一定量的Si元素，使合金在一定条件下可析出Ti5Si3或Ti2Si型硅化物；2)控制影响硅化物溶解温度的合金化元素Zr、Sn和β稳定元素的加入量，保证钛合金的α+β/β相变点低于硅化物的溶解温度；3)合金在硅化物溶解温度以下有充分变形，最后1～2火在α+β相区有适当变形，而且经过热处理后其原始β晶粒尺寸在200μm以下并呈细片层状结构。
2.按权利要求1所述的具有细片层显微组织的钛合金，其特征在于合金的成分组成 (按重量百分数计算)为A1 彡 6. 5 ；Sn ^ 8. 0 ；Zr3. 0 10. 0 ；Mo ^ 1. 0 ；SiO. 30 0. 70 ； Nb彡1. 0 ；Ta彡5. 0 ;C彡0. 08，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
3.按权利要求1或2所述的具有细片层显微组织的钛合金，其特征在于合金的成分 组成(按重量百分数计算)为:A13. 0 6. 5 ；Snl. 0 7. 0 ；Zr4. 0 10. 0 ；MoO. 0 1. 0 ； SiO. 35 0. 70 ；NbO. 0 1. 0 ；TaO. 0 5. 0 ;C 0. 001 0. 06 ；余量为 Ti 和不可避免的杂 MtuMo
4.一种按权利要求2或3所述合金成分获得权利要求1所述显微组织钛合金的制造方 法，包括合金熔炼、热加工和热处理三道处理工序，其特征在于①合金熔炼在真空自耗炉中进行，并且不低于两次熔炼；②热加工工艺要求在硅化物溶解温度以下有充分变形，最后1 2火在α+ β相区有 适当变形，以获得均勻细小的锻态组织；③热处理在α+β/β相变点(Ta+ e/e)和硅化物溶解温度(TsJ之间固溶处理0.5 4h,油淬或空冷+600 750°C /2 10h，空冷。
5.按权利要求4所述的钛合金的制造方法，其特征在于所说的热加工工艺对于盘形件 来说是a)硅化物溶解温度以下20 70°C镦拔或拔长，Y^2. 0，锻后水淬或油淬；对于镦拔 工艺，单火次锻压比Y单=ΥΚ*Υ辙，锻后空冷；b)β相区(α+β/β相变点上10°C 40°C)镦拔或镦/拔，Y单彡4.0，锻后水淬或油淬；c)硅化物溶解温度以下30°C 90°C)镦拔或拔长，可采用多火次加热，要求总锻压比 Y总彡6.0，￥总=丫单汁丫单片……，锻后水淬或油淬；
6.按权利要求4所述的钛合金的制造方法，其特征在于所说的热加工工艺对于棒形件 来说是a)β相区加热(α+β/β相变点上10°C 50°C )，用水压机锻造制坯，锻压比彡2.0， 锻后油淬或水淬；b)硅化物溶解温度以下30°C 90°C加热，用精锻机锻棒，总锻压比Y总彡7.0，可多火 次完成，最后一火次锻压比Y彡4. 0 ；
7.按权利要求4所述的钛合金的制造方法，其特征在于所说的热加工工艺对于棒形件 来说是a)β相区加热(α+β/β相变点上10°C 50°C)，用水压机锻造，锻压比彡2.0，锻后 油淬或水淬；b)硅化物溶解温度以下30°C 80°C加热，用精锻机/水压机/锻锤制备轧棒坯料，变形量δ彡40%或锻压比Y彡1.5 ；硅化物溶解温度以下30°C 90°C加热，用轧机轧棒，变 形量彡60%。
全文摘要
本发明提出了一种具有细片层显微组织结构的钛合金及其制造方法，其特征在于1)合金中加入一定量的Si元素，使合金在一定条件下可析出Ti5Si3或Ti2Si型硅化物；2)控制影响硅化物溶解温度的合金化元素Zr、Sn和β稳定元素的加入量，保证钛合金的α+β/β相变点低于硅化物的溶解温度；3)合金在硅化物溶解温度以下充分变形、最后1～2火在α+β相区有适当变形，而且经过热处理后其原始β晶粒尺寸在200μm以下并呈细片层状结构。本发明还提出了一种满足上述条件的钛合金成分以及相应的冶炼、热加工和热处理工艺，按照本发明的工艺可以制备出原始β晶粒尺寸在200μm以下且呈细片层状的钛合金，它具有较高的强度及塑韧性匹配，是一种潜在的高强高韧耐高温钛合金材料，有望在在航空航天领域得到很好的推广应用。
文档编号C22F1/18GK101967581SQ20091001275
公开日2011年2月9日 申请日期2009年7月28日 优先权日2009年7月28日
发明者何书林, 刘建荣, 刘羽寅, 朱绍祥, 李献民, 杨锐, 王清江, 王鼎春, 石卫民, 董长升, 陈志勇, 高颀, 魏寿庸 申请人:中国科学院金属研究所;宝钛集团有限公司