一种Ti-6Al-4V改进型钛合金及其加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金技术领域，具体涉及一种Ti-6A1-4V改进型钛合金及其加工方 法。
【背景技术】
[0002] 钛合金作为一种轻金属合金材料，具有比强度高、高比模量、高韧性、耐腐蚀等一 系列优点，广泛应用于飞机机体结构件及其航空发动机的生产制造，且随着航空航天器设 计技术的发展，对高性能钛合金的需求量也越来越大，航空航天飞行器中钛合金的用量已 经成为衡量其先进程度的重要标志之一。
[0003] Ti-6A1-4V钛合金最初由美国在1954年首先研制成功，目前已经发展成为一种国 际性的钛合金，是目前人们对其研宄最为全面、最为深入的钛合金。在航空、航天、民用等工 业中得到了广泛应用，目前占钛合金产量的一半以上。该合金具有良好的工艺塑性和超塑 性，合金a+0/0转变温度980°C?10KTC，长期工作温度可达400°C。
[0004] 1973年开始，我国为配合涡扇-8航空发动机Ti-6A1-4V钛合金叶片的研制工作， 开始了该合金的仿制与工程应用研宄，我国仿制后命名牌号TC4。目前我国已经采用该合金 制造飞机结构中的梁、框、起落架、紧固件，以及航空发动机风扇、压气机盘、机匣、叶片等， 航天飞行器压力容器、结构件等，同时也大量用于其它各工业行业中，如医用钛合金、化工 用钛合金等。
[0005] 新一代航空发动机的服役寿命较上一代航空发动机的有较大幅度的提升，同时 其推重比进一步增加（推重比由过去的5?8,提升到10以上），对其部件的强度以及高 周疲劳寿命提出了更高的要求，特别是作为主要转动件的压气机部件性能要求进一步提 高。航空发动机压气机（含风扇部分）部件主要使用钛合金材料制造，其低压压气机（含 风扇）部件等一般使用Ti-6A1-4V钛合金制造，目前普通的Ti-6A1-4V钛合金由于强度和 高周疲劳性能较低，满足不了新一代推重比10以上的航空发动机设计制造及服役需求，普 通Ti-6A1-4V钛合金化学成分、室温力学性能、高温力学性能以及高周疲劳性能指标见表 1-1、1-2、1-3、1-4,目前普通Ti-6A1-4V合金中的氧含量正常不高于0. 15%，Fe含量正常不 高于0. 05 %，都作为杂质元素控制。
[0006] 表1-1国家标准GB/T3620. 1-2007中规定普通Ti-6A1-4V钛合金化学成分范围
[0007]
【主权项】
1. 一种Ti-6A^4V改进型铁合金，其特征在于，该合金的化学成分按质量百分数计，包 括 5. 8 ?6. 8 % 的 A1，3. 8 ?4. 6 % 的 V，0. 02 ?0. 45 % 的 Fe，0. 17 ?0. 26 % 的 0,小于等于 0. 08 %的C，小于等于0. 05 %的N，小于等于0. 008 %的H，其余为Ti。
2. 根据权利要求1所述的Ti-6A^4V改进型铁合金，其特征在于，该合金的化学成分 按质量百分数计，包括5. 8?6. 8 %的A1，3. 8?4. 6 %的V，0. 02?0. 45 %的Fe，0. 17? 0. 26 %的0,大于0且小于等于0. 08 %的C，大于0且小于等于0. 05 %的N，大于0且小于等 于0.008%的H，其余为Ti。
3. 根据权利要求1或2所述的Ti-6A1-4V改进型铁合金，其特征在于，所述该合金的原 料为海绵铁、A1-V中间合金、纯金属A1、纯金属化和Ti2〇,或该合金的原料为海绵铁、A1-V 中间合金、纯金属A1、Ti-Fe中间合金和Ti2〇。
4. 根据权利要求1所述的Ti-6A1-4V改进型铁合金，其特征在于，所述该合金的室温力 学性能为；初生 a 相含量>30%，〇b> 935N/mm2, 〇u 2> 855N/mm2, Ss>8%，1]) >20%， aKu> 25J，皿(d) > 3. 30mm ;所述该合金的室温高周旋转弯曲疲劳性能指标为：加载应力为 460N/mm2,循环周次> 2X106。
5. 根据权利要求1所述的Ti-6A1-4V改进型铁合金，其特征在于，所述该合金的400°C 力学性能指标为；初生a相含量>30%，〇b> 620N/mm2, 65^12% 1]) >40%，持久应力 为570N/mm2,持久时间> lOOh。
6. -种如权利要求3所述的Ti-6A1-4V改进型铁合金的加工方法，其特征在于，包括W 下步骤： 1) 配料及电极压制；按照名义成分Ti-6. 2A^4. 1V-0. 2化-0. 220将海绵铁、A1-V中间 合金、纯金属A1、纯金属化和Ti2〇进行混料，或将海绵铁、A1-V中间合金、纯金属Al、Ti-Fe 中间合金和Ti2〇进行混料，然后通过压力机及模具将其压制为电极块； 2) 电极制备；将电极组焊为长条状电极； 3) 将电极作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行烙炼获得一次锭； 4) 将一次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行二次烙炼获得二次锭； 5) 将二次锭倒置并作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行=次烙炼获得成品铸锭； 6) 烙炼完成后冷却到200°C W下出炉，得到Ti-6A^4V改进型铁合金。
7. 根据权利要求6所述的Ti-6A1-4V改进型铁合金的加工方法，其特征在于，所述步骤 2) 中组焊是通过真空等离子焊、氣气保护等离子焊或真空电子束焊实现的。
8. 根据权利要求6所述的Ti-6A1-4V改进型铁合金的加工方法，其特征在于，所述步骤 3) 中烙炼电流为5?20KA，烙炼电压为25?45V。
9. 根据权利要求6所述的Ti-6A1-4V改进型铁合金的加工方法，其特征在于，所述步骤 4) 中烙炼电流5?25KA，烙炼电压为25?50V。
10. 根据权利要求6所述的Ti-6A^4V改进型铁合金的加工方法，其特征在于，所述步 骤5)中烙炼电流6?35KA，烙炼电压为25?55V。
【专利摘要】一种Ti-6Al-4V改进型钛合金及其加工方法，该合金的化学成分按质量百分数计，包括5.8～6.8％的Al，3.8～4.6％的V，0.02～0.45％的Fe，0.17～0.26％的O，小于等于0.08％的C，小于等于0.05的N，其余为Ti。本发明加工得到的TC4G(Ti-6.2Al-4.1V-0.2Fe-0.22O)钛合金的室温强度、高温强度、高周疲劳性能等性能明显高于目前使用的普通TC4钛合金，同时TC4G钛合金的塑性、冲击等性能与普通TC4钛合金在一个数量级别，能够满足新一代推重比10以上航空发动机压气机(风扇)部件的设计制造需求。
【IPC分类】C22C14-00, C22C1-03
【公开号】CN104532060
【申请号】CN201410814125
【发明人】张利军, 张晨辉, 薛祥义, 李金山, 刘娣, 郭凯
【申请人】西安西工大超晶科技发展有限责任公司
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月22日