[发明专利]一种高性能近α高温钛合金及其粉末冶金制备方法

说明书

一种高性能近α高温钛合金及其粉末冶金制备方法，属于钛合金材料技术领域。该高性能近α高温钛合金，包括的成分及各个成分的质量百分比为：Al：5.0～7.5％，Sn：1.0～3.5％，Zr：3.0～5.5％，Mo：1～3.5％，Si：0.05～1.5％，O≤0.36％，余量为Ti。通过混合元素粉末冶金法即混合粉末+压制成坯+烧结+挤压成形+热处理制备具有细小α片层和不连续β/β转变组织构成的新型魏氏组织的高性能近α高温钛合金，其中，β转变组织内析出了高密度的纳米针状α，同时材料利用率接近100％且成本低。所提供的制备方法简单、成本低廉，所得近α高温钛合金材料具有优异的室温和高温力学性能。

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，特别涉及一种高性能近α高温钛合金及其粉末冶金制备方法。

背景技术

由于钛合金的低密度，高比强度，出色的高温机械性能和良好的抗氧化性，在航空航天，船舶，汽车发动机，化学设备等领域得到了广泛应用。但是随着航空发动机的飞速发展，高推重比航空发动机对新型轻质耐高温结构材料的要求越来越高，对耐更高温度的新型高温钛合金的研发及先进的成形工艺的开发也迫在眉睫。典型的近α高温钛合金Ti6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，wt％)因其高强度，低密度和出色的高温性能，已成功应用于F414、F119、TRENT800等先进的军用和民用航空发动机上，是565℃压气机盘和叶片的首选钛合金材料，工作温度可高达565℃。近年来，已经开发了一些新颖的高温钛合金以进一步提高工作温度并改善机械性能。与普通的高温合金相比，这些新颖的高温钛合金体系大都以Ti-A1-Sn-Zr-Mo-Si为主，其服役温度从300℃提高到650℃，其服役温度和性能的提升多以提高合金化程度的固溶强化为主要强化手段，通常将更多的合金元素(Sn、Mo、Nb、V、Ta、W等)添加到近α的钛合金中以获得更多的固溶体强化合金。由于间隙溶质元素(O，C，N等)和替代溶质元素(Al，Sn，Zr，Mo，Si，Nb，Ta等)是位错滑移和攀移的有效屏障，随着合金元素含量的增加，合金强度增强，但是这势必会造成服役条件下组织稳定性的降低，从而限制高温钛合金的使用温度。进一步提高合金的合金化程度也会使原材料成本增加。铸锭冶金-机加工相结合的传统高温钛合金零部件制备工艺路径的材料利用率非常低，通常仅为10％以下，按国际通用的说法就是材料采购量和飞机上使用量的比值非常高(High buy-to-flyratio)，同时钛合金又属于难加工金属，加工速度慢，单位加工成本高。这些因素造成高温钛合金零部件和结构部件价格居高不下，对于大多数工程应用，包括一些型号批量生产的飞机，都难以承受使用钛合金零部件和结构部件的成本。因此国家制造工业的发展迫切需要低成本高性能的高温钛合金零部件和型材。

目前，高温钛合金的制备主要采用的是铸锭冶金工艺，材料制备周期长，熔炼及高温锻造的能量消耗大，设备经费投入大，这使得采用铸锭冶金工艺制备的材料成本较高。此外，传统的铸造工艺通常容易发生成分偏析和微观结构异质性等缺陷而导致力学性能较差。粉末冶金(PM)技术，即混合粉末+压制成坯+烧结，是一种众所周知的制备具有均匀微观结构而没有合金元素偏析的金属材料的方法，同时材料使用率高、工艺流程短且成本低。混合元素粉末冶金(BE-PM)方法被认为是制造高温钛合金和近净成形钛合金零部件的可行且具有成本效益的途径。但是,与铸锭冶金(IM)钛合金相比，PM钛合金存在相对致密度较差和高氧污染等缺陷，这可能会使机械性能恶化。热机械加工被认为是通过去除残留孔洞来改善钛合金机械性能的可靠而有效的方法。热挤压是一种常见的热变形过程，其中材料被加热到高于在再结晶温度并被挤压。烧结坯料的热挤压不仅可以消除内部孔隙，而且大的塑性变形可以破坏粗大的组织和驱动β晶粒的动态再结晶，从而实现晶粒细化，这两者均有利于提高机械性能。同时挤压后的后续退火处理对合金的组织和性能也有很大影响，微观组织调控也是提高高温钛合金更高温度下的服役性能的最为有效的手段。

然而，当前粉末冶金钛合金主要以氢化脱氢的纯钛粉末为主要原材料，粉末氧含量较高且普通的烧结方式很难制备出组织精细且高致密度的钛合金材料。并且当前粉末冶金钛合金，其氧含量高、致密度不足、烧结态组织粗大、机械性能不理想，很难达到国家精尖科技领域的要求。

发明内容