[发明专利]一种高Si含量高温钛合金及其制备方法

说明书

一种高Si含量高温钛合金及其制备方法，该钛合金中Si含量大于1.0%、小于1.5%。该钛合金的制备方法是先采用等离子旋转电极雾化法制备出氧含量<0.1%的高品质钛合金粉末，再采用热等静压法对制得的粉末进行成形固结，然后对固结形成的钛合金样品进行等温锻造并后续热处理，其中热等静压烧结温度：920℃≤T_s≤相变温度，升温速率：10～30℃/min，烧结保温时间：3～4小时，烧结压力：120～140MPa，等温锻造的温度为相变点以下30～50℃，总变形量为40～50%。本发明的制备方法简单，工艺易控制，制备的钛合金综合力学性能优异，具有良好的推广应用前景，特别适用于制造使用温度为600℃的钛合金结构件。

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体是涉及一种适合制造使用温度为600℃的钛合金结构件的Si含量大于1.0%、小于1.5%的高Si含量高温钛合金及其制备方法。

背景技术

钛合金具有密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀性好等优点，在航空航天领域中获得了广泛的应用。高温钛合金是钛合金的主要发展方向之一。它主要用做航空发动机的压气机盘和叶片机匣，以减轻发动机质量，提高推重比。此外，超声、高超声速巡航弹、可重复使用运载器以及亚轨道重复使用跨大气层飞行器对高温钛合金的用量需求越来越大。

随着航空航天事业的发展，高温钛合金的使用温度要求逐步提高。已经由20世纪50年代的400℃提高到目前的600℃。目前，国际上使用温度达到600℃的高温钛合金主要有: 美国的Ti-1100，英国的IMI834，俄罗斯的BT36等。这些钛合金都是Ti-Al-Si-Zr-Mo-Sn体系，其中Si含量均少于0.5%。目前，随着航空航天工业的发展，特别是超音速飞行器的出现，对关键部件材料的耐高温要求不断提高。Si的加入能提高钛合金的高温强度和蠕变性能，但Si的含量超过其在α-Ti中的固溶度时(0.4%)，采用传统铸造方法，会形成较多的硅化物，且硅化物在基体晶界上析出，导致合金塑性降低。

研究发现Ti-Si系合金的机械特性与Si含量以及硅化物的形貌和分散有关系。粉末冶金技术相比传统铸造技术，可制备晶粒细小，组织和性能更均匀的钛合金。因此，若能采用粉末冶金技术来成形具有较高Si含量的高温钛合金，通过成分设计和工艺优化，从而在基体中形成细小、弥散分布的硅化物，相比铸造技术，可以提高其塑性，从而改善其综合力学性能。至今，尚无采用粉末冶金技术制备高Si含量高温钛合金的相关文献报道。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，通过合理组分配比及其粉末冶金工艺的优化，提供一种Si含量大于1.0%、小于1.5%的高Si含量高温钛合金及其制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的高Si含量高温钛合金，其特点是由以下质量百分比的成分组成：Al：5～8wt%，Si：1.0～1.5wt%，Zr：1.5～2wt%，Mo：0.4～1.2wt%，Sn：2～3wt%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。

本发明所述的高Si含量高温钛合金的制备方法，其特点是：包括制粉、成形固结、热变形加工和热处理，具体步骤如下：

步骤一：高品质钛合金粉末的制备

首先按以下元素及其质量百分比用量进行配料：Al：5～8wt%，Si：1.0～1.5wt%，Zr：1.5～2wt%，Mo：0.4～1.2wt%，Sn：2～3wt%，余量为Ti；然后采用真空自耗电弧熔炼法制备出直径为50～75mm的棒料，并利用制得的棒料，采用等离子旋转电极雾化法制备出氧含量&lt;0.1%的高品质钛合金粉末，粉末粒径为50～300μm；

步骤二：热等静压法烧结钛合金粉末

采用热等静压法将制备的高品质钛合金粉末进行烧结，精确调控烧结参数，热等静压工艺条件如下：