本發明屬于金屬材料領域，具體是涉及一種適合制造使用溫度為600℃的鈦合金結構件的si含量大于1.0%、小于1.5%的高si含量高溫鈦合金及其制備方法。

背景技術：

鈦合金具有密度小、強度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優點，在航空航天領域中獲得了廣泛的應用。高溫鈦合金是鈦合金的主要發展方向之一。它主要用做航空發動機的壓氣機盤和葉片機匣，以減輕發動機質量，提高推重比。此外，超聲、高超聲速巡航彈、可重復使用運載器以及亞軌道重復使用跨大氣層飛行器對高溫鈦合金的用量需求越來越大。

隨著航空航天事業的發展，高溫鈦合金的使用溫度要求逐步提高。已經由20世紀50年代的400℃提高到目前的600℃。目前，國際上使用溫度達到600℃的高溫鈦合金主要有:美國的ti-1100，英國的imi834，俄羅斯的bt36等。這些鈦合金都是ti-al-si-zr-mo-sn體系，其中si含量均少于0.5%。目前，隨著航空航天工業的發展，特別是超音速飛行器的出現，對關鍵部件材料的耐高溫要求不斷提高。si的加入能提高鈦合金的高溫強度和蠕變性能，但si的含量超過其在α-ti中的固溶度時(0.4%)，采用傳統鑄造方法，會形成較多的硅化物，且硅化物在基體晶界上析出，導致合金塑性降低。

研究發現ti-si系合金的機械特性與si含量以及硅化物的形貌和分散有關系。粉末冶金技術相比傳統鑄造技術，可制備晶粒細小，組織和性能更均勻的鈦合金。因此，若能采用粉末冶金技術來成形具有較高si含量的高溫鈦合金，通過成分設計和工藝優化，從而在基體中形成細小、彌散分布的硅化物，相比鑄造技術，可以提高其塑性，從而改善其綜合力學性能。至今，尚無采用粉末冶金技術制備高si含量高溫鈦合金的相關文獻報道。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對上述存在問題和不足，通過合理組分配比及其粉末冶金工藝的優化，提供一種si含量大于1.0%、小于1.5%的高si含量高溫鈦合金及其制備方法。

本發明的技術方案是這樣實現的：

本發明所述的高si含量高溫鈦合金，其特點是由以下質量百分比的成分組成：al：5～8wt%，si：1.0～1.5wt%，zr：1.5～2wt%，mo：0.4～1.2wt%，sn：2～3wt%，余量為ti和不可避免的雜質元素。

本發明所述的高si含量高溫鈦合金的制備方法，其特點是：包括制粉、成形固結、熱變形加工和熱處理，具體步驟如下：

步驟一：高品質鈦合金粉末的制備

首先按以下元素及其質量百分比用量進行配料：al：5～8wt%，si：1.0～1.5wt%，zr：1.5～2wt%，mo：0.4～1.2wt%，sn：2～3wt%，余量為ti；然后采用真空自耗電弧熔煉法制備出直徑為50～75mm的棒料，并利用制得的棒料，采用等離子旋轉電極霧化法制備出氧含量<0.1%的高品質鈦合金粉末，粉末粒徑為50～300μm；

步驟二：熱等靜壓法燒結鈦合金粉末

采用熱等靜壓法將制備的高品質鈦合金粉末進行燒結，精確調控燒結參數，熱等靜壓工藝條件如下：

燒結溫度ts：920℃≤ts≤相變溫度

升溫速率：10～30℃/min

燒結保溫時間：3～4小時

燒結壓力：120～140mpa；

步驟三：將燒結形成的鈦合金樣品進行等溫鍛造

等溫鍛造的溫度為相變點以下30～50℃，總變形量為40～50%，鍛造后在750～800℃保溫2～3小時，再采用相同工藝進行一次等溫鍛造；

步驟四：依據常規鈦合金的標準熱處理工藝制度進行熱處理，制得高si含量高溫鈦合金。

進一步地，上述步驟二中，燒結溫度ts的范圍為：920℃≤ts≤相變溫度-20℃。上述步驟三中，等溫鍛造的總變形量為50%。

本發明合金體系為ti-al-si-zr-mo-sn，si含量為1.0～1.5%。合金設計遵循以下原則：在合金化設計時需限制al和sn等α穩定元素的含量在一定范圍內。sn能夠顯著的提高合金的熱強性，作為高溫鈦合金的合金化元素，sn在提高合金高溫強度的同時不會影響鈦合金的室溫塑性。mo含量的增加能夠提高高溫鈦合金的工藝塑性，合金中硅化物的析出速度也會加快。為了最大限度地提高鈦合金的高溫性能，同時保證良好的熱穩定性，采用多元復合強化的合金化方式，即在ti基體中加入較高含量的al，sn，zr，即得到較高的鋁當量[al]eq，以抑制基體中硅化物的過量沉淀析出，防止惡化塑性和應力腐蝕性能。同時，盡量減少對蠕變有害的β穩定元素如mo等的含量，即保持較低的鉬當量[mo]eq。對于在600℃下使用的鈦合金，為了實現最佳的力學性能匹配，應遵循當量準則是：[al]eq控制在8.5～9%，[mo]eq控制在0.5%～1%。

針對此類高溫鈦合金，本發明將粉末冶金和等溫鍛造技術結合，發展出一種新的近凈成形工藝。相對于傳統的鑄鍛鈦合金制備工藝，該制備方法采用粉末冶金的工藝制備鈦合金，能夠節省大量貴重的原材料，降低制造成本。采用熱等靜壓法燒結高品質鈦合金粉末，可得到致密度達到99.8%的粉末鈦合金。后續對燒結形成的鈦合金樣品進行等溫鍛造，一方面可閉合粉末鈦合金內部細孔，提高其致密度，另一方面可破碎熱等靜壓燒結形成的較粗大硅化物，并均勻分布在基體中。一次等溫鍛造后在再結晶溫度區間進行保溫，可得到等軸晶，有助于粉末鈦合金獲得更好的性能。

本發明制備的高溫鈦合金在室溫和600℃均具備良好抗拉強度及延伸率，強度超過目前國內外常用600℃高溫鈦合金如ti-1100，imi834，bt36等，能夠滿足航天器對高溫鈦合金的要求。在室溫，其抗拉強度可達1300mpa，延伸率達7%。在600℃條件下，其抗拉強度可達到780mpa，延伸率為20%。

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

附圖說明

圖1為實施例1中熱等靜壓燒結后鈦合金掃描電鏡照片。

圖2為實施例1中等溫鍛造后粉末鈦合金掃描電鏡照片。

具體實施方式

本發明所述的高si含量高溫鈦合金，由以下質量百分比的成分組成：al：5～8wt%，si：1.0～1.5wt%，zr：1.5～2wt%，mo：0.4～1.2wt%，sn：2～3wt%，余量為ti和不可避免的雜質元素。

下面通過具體的制備方法對本發明作進一步的說明。

實施例1：

按以下元素及其質量百分比用量進行配料：al:6.5%，si:1.4%，zr:2%，mo:0.5%，sn:2%，余量為ti及不可避免的雜質元素；然后采用真空自耗電弧熔煉法制備出棒料，并利用制得的棒料，采用等離子旋轉電極霧化法制備出氧含量<0.1%的高品質鈦合金粉末；

采用熱等靜壓法將制備的高品質鈦合金粉末進行燒結，熱等靜壓工藝條件如下：

燒結溫度ts：ts=980℃

升溫速率：30℃/min

燒結保溫時間：4小時

燒結壓力：120mpa；

將燒結形成的鈦合金樣品進行等溫鍛造，等溫鍛造的溫度為940℃，總變形量為50%，鍛造后在780℃保溫2小時，再采用相同工藝進行一次等溫鍛造；

等溫鍛造后采用熱處理為：850℃×2h，爐冷+750℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷；獲得高si含量高溫鈦合金。

實施例2：

按以下元素及其質量百分比用量進行配料：al:5%，si:1.1%，zr:2%，mo:1.0%，sn:2.5%，余量為ti及不可避免的雜質元素；然后采用真空自耗電弧熔煉法制備出棒料，并利用制得的棒料，采用等離子旋轉電極霧化法制備出氧含量<0.1%的高品質鈦合金粉末；

采用熱等靜壓法將制備的高品質鈦合金粉末進行燒結，熱等靜壓工藝條件如下：

燒結溫度ts：ts=960℃

升溫速率：30℃/min

燒結保溫時間：3.5小時

燒結壓力：140mpa；

將燒結形成的鈦合金樣品進行等溫鍛造，等溫鍛造的溫度為930℃，總變形量為50%，鍛造后在800℃保溫2小時，再采用相同工藝進行一次等溫鍛造；

等溫鍛造后采用熱處理為：940℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷；獲得高si含量高溫鈦合金。

實施例3：

按以下元素及其質量百分比用量進行配料：al:7%，si:1.2%，zr:2%，mo:1.0%，sn:2%，余量為ti及不可避免的雜質元素；然后采用真空自耗電弧熔煉法制備出棒料，并利用制得的棒料，采用等離子旋轉電極霧化法制備出氧含量<0.1%的高品質鈦合金粉末；

采用熱等靜壓法將制備的高品質鈦合金粉末進行燒結，熱等靜壓工藝條件如下：

燒結溫度ts：ts=960℃

升溫速率：20℃/min

燒結保溫時間：4小時

燒結壓力：120mpa；

將燒結形成的鈦合金樣品進行等溫鍛造，等溫鍛造的溫度為940℃，總變形量為50%，鍛造后在760℃保溫3小時，再采用相同工藝進行一次等溫鍛造；

等溫鍛造后采用熱處理為：910℃×2h，空冷+570℃×4h，空冷；獲得高si含量高溫鈦合金。

實施例1～3獲得的高溫鈦合金材料的室溫和600℃高溫拉伸力學性能見下表所示：

本發明是通過實施例來描述的，但并不對本發明構成限制，參照本發明的描述，所公開的實施例的其他變化，如對于本領域的專業人士是容易想到的，這樣的變化應該屬于本發明權利要求限定的范圍之內。