[发明专利]一种耐600℃以上高温的钛合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金，尤其涉及一种耐高温的钛合金。

背景技术

钛合金因其具有高的比强度而广泛应用于航空航天领域。20世纪80年代以来，美、英、俄等国家成功研制出Ti-1100、IMI834、BT36等合金，这些钛合金的使用温度达550～600℃。国内也研制出600℃温度下使用的Ti-600、Ti-60高温钛合金。

随着现代航空航天技术的发展，对于使用温度高于600℃的高温钛合金需求的呼声也越来越高。目前研制高于600℃使用温度的钛合金所遇到的主要问题是合金的热稳定性同热强性的矛盾，其中热稳定性所涉及到的钛合金相结构的稳定性和合金表面氧化问题，随着温度的升高显得愈来愈突出。

公开号为CN1031721，公开日为1989年3月15日，名称为“一种耐热钛合金”的中国专利文献；以及公开号为CN101050479，公开日为2007年10月10日，名称为“一种含稀土高温固溶强化耐热钛合金”的中国专利文献所涉及的钛合金分别加入了稀土元素钕、钇，虽然加入稀土元素后可以细化晶粒、提高蠕变性能，但其使用温度仍停留在600℃，其原因在于追求强度而采取的高合金化，使合金长时间工作后脆性相析出的几率增大，导致组织不稳定。此外，高温下氧的渗入会在合金表面形成富氧层，从而导致合金表面不稳定。

公开号为CN101074464，公开日为2007年11月21日，名称为“复合强化耐热钛合金”的中国专利文献所涉及的钛合金加入了稀土元素镧、硼，使得其使用温度可高于600℃，但由于其为颗粒和短纤维增强的复合材料，硬质的第二相引入后导致材料的加工性能变差。虽然其在高于600℃具有较好的综合性能，但是其加工区间较窄，热加工温度较高，增加了材料的加工难度，也提高了材料成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐600℃以上高温的钛合金，该种钛合金可以在高于600℃的高温下使用，在该使用温度下，钛合金的力学性能优异，且具有良好的成型性。

根据本发明的上述目的，本发明提出一种耐600℃以上高温的钛合金，其化学元素质量百分配比为：

Al：5.5％～7.0％，Sn：2.5％～4.0％，Zr：1.0％～3.0％，Mo：1.0％～3.0％，Nb：1.5％～3.0％，Si：0.10％～0.40％，Ce：0.05％～1.0％，Ta：0.1％～5.0％，C：0.1％～2.0％，B：0.1％～2.0％，余量为Ti和其他不可避免的杂质。

上述各化学元素的成分设计原理如下：

上述Al、Sn、Zr、Mo、Nb、Si元素为高温钛合金常用的合金化元素。这些元素中，Al属于α相稳定化元素；Mo、Nb、Si属于β相稳定化元素；Sn、Zr是中性元素。

Al是高温钛合金中最主要的合金化元素，其主要作用有：固溶强化、降低合金的密度、提高再结晶和相变温度。此外，Al还可以提高氢在α相中的溶解度，减少因氢化物析出而引起的氢脆。但是Al在高温钛合金中的不利作用也很明显。根据Ti-Al相图，Al在Ti中的极限溶解度为7.5wt％，Ti中的Al含量超过此值后，合金会在时效或高温使用过程中析出硬脆的α₂相，损害合金的塑性和断裂韧性。为了避免因析出过量α₂相引起合金的脆化，最大限度地发挥Al的固溶强化作用，本发明将Al元素含量控制在5.5～7.0wt％。

Sn和Zr在高温钛合金中属于中性元素，它们在α相和β相中均有较大的固溶度，这两种元素与其他元素一起加入可以起到补充强化的作用；其中Sn还能降低合金对氢脆的敏感性。与Al元素相比，这两种元素形成α₂相的倾向性较小。它们的加入可以在不降低合金室温塑性的条件下显著提高合金的高温强度。因此本发明将Sn元素含量控制在2.5～4.0wt％；Zr含量控制在1.0～3.0wt％。

Mo和Nb是最常用的β相稳定化元素，它们能够显著降低α+β/β临界转变温度。高温钛合金中加入少量的Mo和Nb，可在室温下获得少量的β相，使合金具有较好的室温塑性，但过高的Mo含量对钛合金的组织稳定性会产生不利的影响。因此，合金中添加Nb元素，替代部分的Mo元素，可以起到多元强化的作用，本发明将Mo元素含量控制在1.0～3.0wt％，Nb含量控制在1.5～3.0wt％。