一种Ti60合金及其制备方法与流程

一种ti60合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于高温钛合金热加工技术领域，具体涉及一种ti60合金及其制备方法。


背景技术：

2.ti60合金是我国自主研发的使用温度为600℃的近α型高温钛合金，具有低密度、高比强度、高蠕变性以及耐蚀性等优异性能。在航空航天等军工领域，高温钛合金可代替传统钢材或其它高温合金，减轻航空发动机的质量，提高发动机的推重比。
3.然而，近年来航空事业迅猛发展，航空航天飞行器速度不断提升，其产生较强的气体热效应使航空发动机的压气机工作温度已达或超过600℃，发动机等结构部件的高温使用性能已经无法满足使用需求。目前，国际上大规模使用的耐600℃高温钛合金为英国的imi834合金，我国的ti60合金仍然处于综合性能评价阶段，尚未规模应用。为满足我国航空航天及海洋军工等高精尖领域的应用需求，研制出可在600℃条件以上稳定服役的高温钛合金已迫在眉睫。


技术实现要素：

4.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
5.ti60合金是在高温环境中使用的受热承力材料，通常情况下该产品热强性容易达标，但热稳定性不够理想。常规固溶工艺对ti60合金难以实现材料强度的有效提升，还需通过低温时效处理使β基体析出细小弥散的次生α相来实现弥散强化，进而获得优异稳定的高温性能，有助于推动我国高温钛合金作为结构材料朝着大型化、高精尖化等工业化方向发展。
6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种ti60合金的制备方法，该方法提高了ti60合金在620℃条件下的强度及热稳定性，且锻件满足我国航空航天军工等高精尖领域的应用需求。
7.本发明实施例的ti60合金的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)将原料按设计配比进行熔炼，得到合金铸锭；
9.(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭进行开坯与锻造处理，得到锻件；
10.(3)将所述步骤(2)得到的锻件依次进行固溶处理和时效热处理。
11.本发明实施例的ti60合金的制备方法带来的优点和技术效果；1、本发明实施例的方法，采用固溶处理和时效处理相结合的热处理工艺，能够使合金的β基体析出细小弥散的次生α相来实现弥散强化，进而获得优异稳定的高温性能；2、本发明实施例的方法，制得的ti60合金室温的抗拉强度不低于1131mpa，屈服强度不低于1035mpa，且在620℃环境中，抗拉强度不低于735mpa，屈服强度不低于656mpa，能够满足航空航天军工等高精尖领域的应用需求。
12.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述熔炼的温度为1900～2300℃，加热熔炼至冷却出炉的时间为4～6h。
13.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述熔炼在真空自耗电弧炉中进行，所述真空自耗电弧炉中的真空度≤1.0pa，电流为3.5～5ka，电压为25～30v。
14.在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述开坯与锻造处理的工艺流程包括依次进行开坯、自由锻和精锻。
15.在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述自由锻包括四火次锻造，每火次锻造的温度为950℃～1150℃，每火次锻造保温的时间为1～2.5h；所述精锻的保温温度为950℃～1200℃，保温的时间为1～2.5h。
16.在一些实施例中，所述步骤(2)中还包括，进行每火次锻造前，先对合金材料表面进行修磨处理。
17.在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述固溶处理的温度为1012～1052℃，保温1～1.5h后水冷；所述时效处理的温度为660℃～760℃，保温6～8h后空冷。
18.本发明实施例还提供了一种ti60合金，采用上述的方法制得。
19.本发明实施例的ti60合金带来的优点和技术效果，本发明实施例的ti60合金室温抗拉强度不低于1131mpa，屈服强度不低于1035mpa，延伸率不低于5％，面缩不低于12％，在620℃环境中，抗拉强度不低于735mpa，屈服强度不低于656mpa，延伸率不低于10％，面缩不低于18％，能够满足航空航天军工等高精尖领域的应用需求。
20.在一些实施例中，所述ti60合金的成分为：al：5.3～6.3％，sn：3.1～4.4％，zr：2.6～4.9％，mo：0.3～1.1％，si：0.3～0.9％，nb：0.3～0.8％，ta：0.3～1.5％，c：0.01～0.08％，其余为ti及难以避免的杂质元素，以质量百分含量计。
21.在一些实施例中，所述ti60合金的成分为：al：5.6％，sn：4.2％，zr：3.6％，mo：0.7％，si：0.6％，nb：0.5％，ta：1.1％，c：0.06％，其余为ti及难以避免的杂质元素，以质量百分含量计。
附图说明
22.图1是实施例1制得的ti60合金的显微组织形貌图；
23.图2是实施例1制得的ti60合金的室温拉伸断口形貌图；
24.图3是实施例1制得的ti60合金的620℃拉伸断口形貌图。
具体实施方式
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.本发明实施例的ti60合金的制备方法，包括以下步骤：
27.(1)将原料按设计配比进行熔炼，得到合金铸锭；
28.(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭进行开坯与锻造处理，得到锻件；
29.(3)将所述步骤(2)得到的锻件进行热处理。
30.本发明实施例的ti60合金的制备方法，采用固溶处理和时效处理相结合的热处理工艺，能够使合金的β基体析出细小弥散的次生α相来实现弥散强化，进而获得优异稳定的高温性能；制得的ti60合金室温的抗拉强度不低于1131mpa，屈服强度不低于1035mpa，且在620℃环境中，抗拉强度不低于735mpa，屈服强度不低于656mpa，能够满足航空航天军工等
高精尖领域的应用需求。
31.在一些实施例中，优选地，所述步骤(1)中，所述熔炼的温度为1900～2300℃，加热熔炼至冷却出炉的时间为4～6h。进一步优选地，所述步骤(1)中，所述熔炼在真空自耗电弧炉中进行，所述真空自耗电弧炉中的真空度≤1.0pa，电流为3.5～5ka，电压为25～30v。更优选地，在所述真空自耗电弧炉中熔炼三次。再优选地，所述原料为铝锡合金、铝铌合金、钛钽合金、铝钼合金、铝硅合金、高纯碳粉和海绵锆；所述各原料中杂质含量为o＜0.1％，n＜0.01％，fe＜0.1％。
32.本发明实施例中，采用真空自耗电弧炉进行熔炼制得合金铸锭并进一步限定了熔炼的工艺条件，在抽真空的环境下，自耗电极在低电压、高电流的高温作用下能够迅速的熔化，提高了生产效率。
33.在一些实施例中，优选地，所述步骤(2)中，所述开坯与锻造处理的工艺流程包括依次进行开坯、自由锻和精锻。进一步优选地，所述步骤(2)中，所述自由锻包括四火次锻造，每火次锻造的温度为950℃～1150℃，每火次锻造保温的时间为1～2.5h；所述精锻的保温温度为950℃～1200℃，保温的时间为1～2.5h。再优选地，所述自由锻包括如下工艺：
34.(1)一火次：950℃～1150℃加热，保温1～2.5h，三镦三拔至方坯270
×
270
×
l mm，终锻温度≥850℃；
35.(2)二火次：950℃～1150℃加热，保温1～2.5h，两镦两拔至方坯200
×
200
×
l mm，终锻温度≥800℃；
36.(3)三火次：950℃～1150℃加热，保温1～2.5h，两镦两拔至圆棒终锻温度≥950℃。
37.(4)四火次：950℃～1150℃加热，保温1～2.5h，三镦三拔至圆棒终锻温度≥960℃。
38.对四火次锻造得到的锻件打磨后进行精锻，所述精锻包括如下工艺：
39.(1)加热：电加热炉加热，950℃～1200℃，保温1～2.5小时；
40.(2)锻造：一火完成盘饼尺寸镦锻，坯料转运至压机前不允许落地，锻造过程中边转动坯料边镦锻。
41.更优选地，所述步骤(2)中，锻后总变形量为60～70％。
42.本发明实施例中，对合金进行自由锻和精锻处理，并优化了处理的工艺参数，自由锻处理有利于合金中心组织处的均匀性，而在精锻过程中，合金已经发生较大的变形，此时受温度影响较大，因此需要在较高的温度下进行精锻。
43.在一些实施例中，优选地，所述步骤(2)还包括，进行每火次锻造前，先对合金材料表面进行修磨处理。
44.本发明实施例中，对合金的表面进行修磨处理，能够清除合金表面开裂的裂纹，有利于进一步提高合金的性能。
45.在一些实施例中，优选地，所述步骤(3)中，所述固溶处理的温度为1012～1052℃，保温1～1.5h后水冷；所述时效处理的温度为660℃～760℃，保温6～8h后空冷。进一步优选地，所述固溶处理的温度为1042℃，保温1h后水冷；所述时效处理的温度为720℃，保温7h后空冷。
46.考虑到该合金为双相合金，受温度影响大，经过多次高温回炉锻造后的合金组织
不均匀，变形抗力大，组织内部产生较大的屈服应力，不利于合金的应用开发。因此本发明实施例中，在相变点温度附近进行1～1.5小时的固溶处理改善合金的强度，在再结晶温度附近进行6～8小时的时效处理，使α相自由充分生长优化合金的强塑性，使其在620℃高温下有较好的服役性能。
47.本发明实施例还提供了一种ti60合金，采用上述的方法制得。
48.本发明实施例的ti60合金，室温抗拉强度不低于1131mpa，屈服强度不低于1035mpa，延伸率不低于5％，面缩不低于12％，在620℃环境中，抗拉强度不低于735mpa，屈服强度不低于656mpa，延伸率不低于10％，面缩不低于18％。
49.在一些实施例中，优选地，所述ti60合金的成分为：al：5.3～6.3％，sn：3.1～4.4％，zr：2.6～4.9％，mo：0.3～1.1％，si：0.3～0.9％，nb：0.3～0.8％，ta：0.3～1.5％，c：0.01～0.08％，其余为ti及难以避免的杂质元素，以质量百分含量计。进一步优选地，所述ti60合金的成分为：al：5.6％，sn：4.2％，zr：3.6％，mo：0.7％，si：0.6％，nb：0.5％，ta：1.1％，c：0.06％，其余为ti及难以避免的杂质元素，以质量百分含量计。
50.下面结合具体的实施例和附图，对本发明的技术方案进行详细描述。
51.实施例1
52.(1)采用真空自耗电弧炉将原料按设计配比熔炼3次，真空自耗电弧炉中的真空度≤1.0pa，电流为4ka，电压为26v，获得的ti60合金铸锭随炉冷却至室温，打磨切屑得到150kg级别的成品规格合金铸锭，用金相法检测该铸锭的相变点为1062℃；
53.(2)根据国标gb/t38917-2020中技术要求，将得到的合金铸锭在自由锻油压机上开展ti60合金铸锭镦拔开坯、自由锻及精锻过程。
54.自由锻造过程如下：
55.(1)一火次：1020℃加热，保温1.5h，三镦三拔至方坯270
×
270
×
270mm，终锻温度≥850℃；
56.(2)二火次：1020℃加热，保温1h，两镦两拔至方坯200
×
200
×
500mm，终锻温度≥800℃；
57.(3)三火次：1020℃加热，保温1h，两镦两拔至圆棒终锻温度≥950℃；
58.(4)四火次：1020℃加热，保温1.5h，三镦三拔至圆棒终锻温度≥960℃；
59.对四火次锻造得到的锻件打磨后进行精锻，其工艺过程如下：
60.(1)加热：电加热炉加热，1050℃，保温1.5小时；
61.(2)锻造：一火完成盘饼尺寸镦锻，坯料转运至压机前不允许落地，锻造过程中边转动坯料边镦锻。
62.锻后总变形量为65％，得到的锻饼尺寸为φ320
×
115mm。
63.(3)对步骤(2)得到的煅饼进行热处理：首先将试样进行1042℃保温1小时后出炉水冷的固溶处理，再进行720℃保温7小时的时效处理得到合金试样。
64.对本实施例制得的合金式样进行性能检测，合金的显微组织形貌如图1所示，室温及高温拉伸断面的形貌如图2和图3所示；力学性能结果如表2所示。
65.实施例1制得的合金成分为5.6％的al、4.2％的sn、3.6％的zr、0.7％的mo、0.6％
的si、0.5％的nb、1.1％的ta、0.06％的c，其余为ti及难以避免的杂质元素。
66.实施例2～5
67.实施例2～5的处理流程与实施例1相同，不同之处仅在于：步骤(3)中热处理工艺不同，具体如表1所示。
68.对比例1～5
69.对比例1～5的处理流程与实施例1相同，不同之处仅在于：步骤(3)中热处理工艺不同，具体如表1所示。
70.表1实施例1～5与对比例1～5的热处理工艺
[0071] 固溶温度/℃时间/h冷却方式时效温度/℃时间/h冷却方式实施例110421wq7207ac实施例210221wq6608ac实施例310321wq6808ac实施例410121wq7207ac实施例510521wq7606ac对比例110121wq///对比例210221wq///对比例310321wq///对比例410421wq///对比例510521wq///
[0072]
表2力学性能测试结果
[0073][0074]
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书
中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0075]
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种ti60合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将原料按设计配比进行熔炼，得到合金铸锭；(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭进行开坯与锻造处理，得到锻件；(3)将所述步骤(2)得到的锻件依次进行固溶处理和时效处理。2.根据权利要求1所述的ti60合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述熔炼的温度为1900～2300℃，加热熔炼至冷却出炉的时间为4～6h。3.根据权利要求1或2所述的ti60合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述熔炼在真空自耗电弧炉中进行，所述真空自耗电弧炉中的真空度≤1.0pa，电流为3.5～5ka，电压为25～30v。4.根据权利要求1所述的ti60合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述开坯与锻造处理的工艺流程包括依次进行开坯、自由锻和精锻。5.根据权利要求4所述的ti60合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述自由锻包括四火次锻造，每火次锻造的温度为950℃～1150℃，每火次锻造保温的时间为1～2.5h；所述精锻的保温温度为950℃～1200℃，保温的时间为1～2.5h。6.根据权利要求5所述的ti60合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中还包括，进行每火次锻造前，先对合金材料表面进行修磨处理。7.根据权利要求1所述的ti60合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述固溶处理的温度为1012～1052℃，保温1～1.5h后水冷；所述时效处理的温度为660℃～760℃，保温6～8h后空冷。8.一种ti60合金，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的方法制得。9.根据权利要求8所述的ti60合金，其特征在于，所述ti60合金的成分为：al：5.3～6.3％，sn：3.1～4.4％，zr：2.6～4.9％，mo：0.3～1.1％，si：0.3～0.9％，nb：0.3～0.8％，ta：0.3～1.5％，c：0.01～0.08％，其余为ti及难以避免的杂质元素，以质量百分含量计。10.根据权利要求9所述的ti60合金，其特征在于，所述ti60合金的成分为：al：5.6％，sn：4.2％，zr：3.6％，mo：0.7％，si：0.6％，nb：0.5％，ta：1.1％，c：0.06％，其余为ti及难以避免的杂质元素，以质量百分含量计。

技术总结
本发明属于高温钛合金热加工技术领域，具体涉及一种Ti60合金及其制备方法。本发明提供的一种Ti60合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将原料按设计配比进行熔炼，得到合金铸锭；(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭进行开坯与锻造处理，得到锻件；(3)将所述步骤(2)得到的锻件进行固溶处理和时效处理。该方法提高了Ti60合金在620℃条件下的强度及热稳定性，且锻件满足我国航空航天军工等高精尖领域的应用需求。足我国航空航天军工等高精尖领域的应用需求。足我国航空航天军工等高精尖领域的应用需求。


技术研发人员：张天馨 滕艾均 郭杰 胡钊华
受保护的技术使用者：鞍钢集团北京研究院有限公司
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/7