[发明专利]一种高温钛合金

说明书

技术领域

本发明属于钛基合金技术领域，具体涉及到一种应用在航空发动机上600℃长期使用的钛基合金。

背景技术

高温钛合金具有优异的热强性、低的密度和良好的耐蚀性，在航空航天领域多用来制造航空发动机的压气盘、机匣等。高温钛合金的使用温度从最初的400℃发展到600℃，国外600℃高温钛合金如英国的IMI 834、美国的Ti-1100、已用于航空发动机上，显著地提高了发动机的性能，俄罗斯的BT36处在应用研究阶段。我国研制的600℃高温钛合金Ti60和Ti600在强度上也已达到国际先进水平。目前，进一步提高高温钛合金的使用温度，并使其综合性能得到良好匹配成为研究的重点。

高温钛合金的发展主要受到热强性和热稳定性限制。600℃高温钛合金几乎全是Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si系近α型高铝当量合金。这种合金通过增加Al、Sn、Zr的含量会有效的提高合金的强度，但经长期使用后热稳定性会有不同程度的下降。原因是，合金中加入较多的Al和Sn，会导致析出大量的Ti₃X(X＝Al、Sn)脆性相，使合金热稳定性下降。热稳定性表征了材料在高温长时间作用下保持塑性和韧性的能力，是高温钛合金的一个重要力学性能指标。对于保证高温钛合金部件的高温长期使用可靠性具有重要的意义。

表1各国600℃高温钛合金名义成分

表1为国内外5种600℃高温钛合金及其名义成分。从国外以及国内的大量文献报道可知这五种合金均有较高的室温和高温强度，抗拉强度均在1000～1100Mpa和600～750Mpa，但对于热稳定性能的研究结果不一，多数差强人意，有些合金塑性下降达50％以上，不能达到600℃高温钛合金对于热稳定性能的设计指标。因此，为了提高高温钛合金在600℃下使用的可靠性，需要设计一种合金使其具有较高的热强性，同时还能具有较好的热稳定性，综合性能得到良好的匹配。

合金的性能一定程度上取决于其组成元素，从表中成分可知，现有的600℃高温钛合金中均含有Al、Zr、Sn、Mo和Si元素，并且重量百分比相近。其中Al为α相稳定元素，Zr和Sn为中性元素，三种元素共同用来保证合金的热强性，Mo为β相稳定元素，少量的β相稳定元素的加入可以改善合金的可加工性，Si的加入可提高合金蠕变抗力。这些元素的加入，可以很好的强化合金。高温钛合金经过长期的发展，这五种元素几乎成为不可缺少的组成部分。在此基础上，有的合金还加入了弱的β相稳定元素Nb和W，还有的合金添加一定量的稀土Nd或者Y。这五种合金成分不同之处就在于主要的合金元素的添加量略微不同，或者添加了其他的合金元素。一般，通过优化并严格控制合金组成元素含量，改善合金处理工艺往往能够起到改善合金热稳定性的作用。

发明内容

本发明目的是通过优化合金的成分，设计研制出一种可在600℃下长期工作的具有较高的热强性和较好的热稳定性的高温钛合金。

一种高温钛合金，该合金包括Ti、Al、Zr、Sn和Si，其特征在于：该合金中还同时含有Nb、Mo、Nd三种元素，合金中各成分及其重量百分比为：Al：6.2～6.5％，Zr：3.5～4.0％，Sn：2.0～2.5％，Mo：0.1～0.3％，Nb：0.6～0.9％，Si：0.3～0.4％，Nd：0.4～0.8％，余量为Ti。

进一步，所添加元素Nd的重量百分比为0.4～0.6％。

本发明所研制出的600℃高温钛合金，包括Ti、Al、Zr、Sn、Mo、Nb、Si、Nd八种元素，其特征在于：合金中含有Nb和Mo两种β相稳定元素，同时还加入了稀土元素Nd。该合金元素组成特点上与已有的600℃高温钛合金的成分的差别在于，已有的600℃高温钛合金的元素组成上并未出现过同时加入两种β相稳定元素和一种稀土元素，而本发明中加入了Mo和Nb两种β相稳定元素并且还加入了一定量的稀土元素Nd。在元素含量上，本发明钛合金体系采用高Al高Zr低Sn，以及低Mo和中Nb的一个成分配比，在这个新的基础合金中加入少量的稀土Nd。特点是，高Al高Zr低Sn组合保证合金的热强性，Nb作为一种弱的β相稳定元素，其本身具有使合金抗氧化的作用，利用低Mo和中Nb的组合更好的保证了合金的可加工性和热稳定性。稀土Nd的加入可起到强化合金基体同时改善合金热稳定性的作用。

发明人通过对高温钛合金中各组成元素的作用进行深入研究，得出对于本发明中合金元素的优化选择。下面对本发明是如何选择确定合金成分及其效果进行说明，所有的元素成分均是按重量百分比计算。