阅读说明：本技术 一种多元素复合抗氧化Ti2AlNb合金及其制备方法 (Multi-element composite anti-oxidation Ti2AlNb alloy and preparation method thereof ) 是由 张明达 隋楠 黄旭 于 2020-04-17 设计创作，主要内容包括：本发明是一种多元素复合抗氧化Ti<Sub>2</Sub>AlNb合金及其制备方法,该合金的化学元素及其重量百分比为：Al：20％～25％,Nb：20％～23％,W：0.1％～1.5％,Zr：1％～3％,Si：0.1％～1％,Ta：0.1％～2％,W+Zr+Si+Ta：1.5％～7.5％,余量为Ti。其制备方法包括合金配料、熔炼、开坯、锻造过程,其中合金配料采取分布式高熔点合金元素合金包布置压电极方法,熔炼工艺采取三次真空自耗熔炼工艺,开坯工艺采用均匀化热处理+挤压开坯方法,锻造工艺采用多相区交替锻造方法制备。本发明通过在Ti-Al-Nb体系中加入W、Zr、Si、Ta等合金元素,结合合金成分均匀化和组织均匀化熔炼和锻造工艺,明显提高Ti<Sub>2</Sub>AlNb合金的高温抗氧化能力,同时提高强度力学性能。(The invention relates to multi-element composite anti-oxidation Ti 2 The AlNb alloy and the preparation method thereof, the alloy comprises the following chemical elements by weight percent: al: 20% -25%, Nb: 20% -23%, W: 0.1-1.5%, Zr: 1 to 3Percent, Si: 0.1% -1%, Ta: 0.1% -2%, W + Zr + Si + Ta: 1.5 to 7.5 percent, and the balance of Ti. The preparation method comprises the steps of alloy batching, smelting, cogging and forging, wherein the alloy batching adopts a method of arranging a pressure electrode in a distributed high-melting-point alloy pack, the smelting process adopts a three-time vacuum consumable smelting process, the cogging process adopts a homogenization heat treatment and extrusion cogging method, and the forging process adopts a multiphase-zone alternative forging method. According to the invention, by adding alloy elements such as W, Zr, Si, Ta and the like into a Ti-Al-Nb system and combining alloy component homogenization and structure homogenization smelting and forging processes, Ti is obviously improved 2 The high-temperature oxidation resistance of the AlNb alloy is improved, and the strength mechanical property is improved.)

一种多元素复合抗氧化Ti2AlNb合金及其制备方法

技术领域

本发明是一种多元素复合抗氧化Ti₂AlNb合金及其制备方法，属于高温钛合金材料领域。

背景技术

随着新型航空发动机对高温钛合金材料的不断提高的应用服役要求，更高高温力学性能和抗氧化性能的钛合金材料亟需被开发。传统高温钛合金材料由于受到高温稳定性和抗氧化性能的限制，其长时间稳定使用温度在 600℃～650℃存在较大突破难度。作为Ti-Al-Nb合金体系之一的O相Ti₂AlNb 合金由于其所具有的低密度、高比强度、优异高温力学性能等特点，可以满足新型航空发动机的高标准服役要求，是650℃以上高温结构材料的重要选材之一。

目前Ti₂AlNb合金体系中，高温抗氧化性能是制约其高温条件下长时间服役的重要因素之一。在对Ti-Al-Nb合金体系进行抗氧化研究过程中发现，当 Nb含量在10％～13％范围时，其综合抗氧化性能最佳，随着Nb含量的进一步增加，高Nb合金高温氧化时产生的Nb₂O₅氧化膜保护能力不足，引起Ti₂AlNb 合金抗氧化性能的降低，同时对于Ti₂AlNb合金中一般需要20％以上的Nb含量保证其塑性和加工性能。在Ti-Al-Nb合金体系中也有研究分别添加V、Si、 Ta等合金元素进行抗氧化性能和综合力学性能优化的开发工作，部分合金元素在提高抗氧化性能和综合力学性能起到积极作用，但受限于单一合金元素在 Ti-Al-Nb合金体系中的添加含量限制和成本限制，目前在Ti-Al-Nb合金体系中使用单一的合金成分优化设计已经很难满足其更高综合力学性能的发展要求。

发明内容

本发明提供了一种多元素复合抗氧化Ti₂AlNb合金及其制备方法，所要解决的技术问题针对Ti₂AlNb合金在抗氧化等性能上的不足，优化Ti₂AlNb合金的高温抗氧化性能，同时兼顾高温强度、蠕变持久等综合力学性能。并结合多种合金元素的状态和分布特点，针对性的设计熔炼工艺、热加工工艺和热处理工艺，保证多种合金元素在材料组织内的均匀性和稳定性，制备出纯净均匀的高品质抗氧化Ti₂AlNb合金材料。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明技术方案提供了一种多元素复合抗氧化Ti₂AlNb合金，其特征在于：该合金的化学元素及其重量百分比为：Al：20％～25％，Nb：20％～23％，W： 0.1％～1.5％，Zr：1％～3％，Si：0.1％～1％，Ta：0.1％～2％，W+Zr+Si+Ta：1.5％～7.5％，余量为Ti。

在一种实施中，该合金中的Al与Nb的重量比为0.95～1.1。

在一种实施中，该合金中，W的重量百分比为0.1％～2％，Zr合金元素含量 1％～3％。

在一种实施中，该合金中，W与Zr的重量比小于等于2。

在一种实施中，该合金中，Si的重量百分比为0.1％～1％，Ta合金元素含量 0.1％～2％。

在一种实施中，该合金中，Si与Ta的重量比小于等于0.5。

本发明技术方案还提出了一种制备上述多元素复合抗氧化Ti2AlNb合金的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、采取合金包分布式布置并压制电极，结合多次真空自耗熔炼制备Ti2AlNb合金铸锭；

步骤二、铸锭均匀化热处理，结合挤压开坯破碎Ti₂AlNb铸态组织；

步骤三、对挤压开坯后的Ti₂AlNb合金初级棒材进行多相区交替锻造细化均匀微观组织以优化综合性能。

在一种实施中，步骤一中所述采取合金包分布式布置并压制电极是将部分 Al-Nb合金和W合金使用Al箔制备多个小规格合金包，充分混合海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Al-Si中间合金、Al-Ta中间合金，逐层均匀布置混合料和小规格合金包，保证布料均匀无漏料，再完成压制电极块；

电极块经焊接后用于真空自耗熔炼，采用真空自耗炉熔炼Ti₂AlNb合金铸锭3～4次，熔炼过程采用大电流控制，得到Ti₂AlNb合金铸锭，每次铸锭熔炼前需表面车削2～4mm。

在一种实施中，步骤二中所述铸锭均匀化热处理是将熔炼获得的铸锭进行表面扒皮和切冒口处理，再置于温度为800摄氏度的热处理炉保温处理T min， (0.4D-30)min≤T≤(0.4D+30)min，D为合金铸锭的直径，单位mm，再将热处理炉升温至1250℃进行均匀化处理，保温12～24h；

铸锭均匀化热处理后使用挤压开坯，在Ti₂AlNb铸锭表面涂刷保温涂料，置于1200℃加热炉中保温T1min，(0.4D-30)min≤T1≤(0.4D+30)min，D为合金铸锭的直径，单位mm，出炉后表面喷涂玻璃润滑剂，置于挤压机中进行挤压拔长，挤压比为3∶1～4∶1；挤压工艺过程中需对挤压筒进行预热至200～300℃，挤压速度为100mm/min。

在一种实施中，步骤三中所述对挤压开坯后的Ti₂AlNb合金初级棒材进行多相区交替锻造是首先在1100℃～1200℃锻造3～5火次，随后在1000℃～1100℃锻造3～5火次，每火次墩粗和拔长变形量为35％～50％，完成Ti₂AlNb合金棒材制备；

每火次保温时间为T2min，(0.6D-30)min≤T2≤(0.6D+30)min，D为合金铸锭的直径，单位mm。

本发明技术方案的特点如下：

1、采用Ti-Al-Nb-W-Zr-Si-Ta合金体系的多合金元素复合设计方法，在 Ti-Al-Nb体系中加入提高抗氧性能的W和Zr组合，同时附加Si元素提高强度力学性能，利用Ta合金元素优化强度和塑性综合力学性能，在Ti-Al-Nb三元合金体系中，同时添加W、Zr、Si和Ta四种微量合金元素相互配合，提高抗氧化能力的同时优化综合力学性能。

2、针对多种合金元素的合金成分特点，采取分布式合金包布置压电极方法，结合大电流多次真空自耗熔炼制备Ti₂AlNb合金铸锭，保证W、Si、Ta等合金元素的顺利添加。

3、采取均匀化热处理和挤压开坯结合的方法，采用800℃入炉保温并逐渐升温至1250℃高温保温的方法使合金成分充分均匀化，同时使用挤压开坯细化铸态组织，改善合金的热加工性能。

4、对挤压后的Ti₂AlNb合金材料进行多相区交替锻造，依次在B2单相区、α+B2相两相区和α+B2+O相三相区进行多火次棒材锻造，保证微观组织均匀化和细晶化，优化Ti₂AlNb合金综合力学性能。

具体实施方式

表1为Ti₂AlNb合金的化学元素及重量百分比

序号	化学元素及重量百分比
		1	Ti-22Al-20Nb-2W-1Zr
2	Ti-22Al-20Nb-1W-1Zr
		3	Ti-22Al-20Nb-0.5W-1Zr
4	Ti-23.5Al-20Nb-1W-1Zr
		5	Ti-22Al-20Nb-0.5Ta-1W-1Zr
6	Ti-22Al-20Nb-1Ta-1W-1Zr
		7	Ti-22Al-20Nb-1W-1Zr-0.5Si-1Ta
8	Ti-22Al-20Nb-1W-1Zr-1Si-2Ta

制备表1中所述Ti₂AlNb合金棒材的方法的步骤如下：

①准备海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Al-Si中间合金、Al-Ta中间合金、含W 合金等原材料，采用分布式高熔点合金元素合金包布置压电极方法，将部分Al-Nb合金和W合金使用Al箔制备多个10～100g小规格合金包，充分混合海绵Ti、海绵Zr、Al豆、Al-Si中间合金、Al-Ta中间合金等，逐层均匀布置混合料和小规格合金包，保证布料均匀无漏料，完成压制10Kg电极块，多组电极块经焊接后用于真空自耗熔炼；

②对制备的Ti₂AlNb合金电极块使用真空自耗熔炼铸锭3～4次，熔炼过程采用大电流3.5～4.0KA控制，得到Ti₂AlNb合金铸锭，对铸锭进行车削扒皮，切去冒口，成品铸锭规格约为φ150×250mm。

③对上述步骤熔炼获得的铸锭，置于温度为800摄氏度的热处理炉保温处理60min。再将热处理炉升温至1250℃进行均匀化处理，保温24h。均匀化处理后的铸锭使用挤压开坯，在Ti₂AlNb铸锭表面涂刷保温涂料，置于1200℃加热炉中保温60min。出炉后表面喷涂玻璃润滑剂，置于挤压机中进行挤压拔长，挤压比3∶1，挤压工艺过程中需对挤压筒进行预热至200～300℃，挤压速度为 100mm/min，获得棒材φ90×600mm；

④对挤压开坯后的Ti₂AlNb合金初级棒材进行分割，采取多相区交替锻造， 1100℃～1200℃锻造3～5火次，随后在1000℃～1100℃锻造3～5火次，完成 Ti₂AlNb合金棒材制备，每火次保温时间约为60min，每火次墩粗和拔长变形量为35％～50％。

⑤氧化性能评估，切取10×10×1.5mm氧化试片进行750℃和850℃氧化实验测试，其750℃和850℃条件下的50～100h氧化增重如表2所示：

序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									750℃	0.024	0.024	0.024	0.008	0.024	0.024	0.012	0.008
850℃	0.044	0.052	0.06	0.044	0.052	0.048	0.032	0.016

g/m2·h

氧化增重结果显示，新型抗氧化Ti₂AlNb合金在750℃和850℃的抗氧化等级均为完全抗氧化。

⑥强度性能评估，测试不同成分Ti₂AlNb的力学性能如表3所示：

序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									Rp0.2	1125	1109	1097	1186	1032	1079	1236	1442

MPa

力学性能结果显示，新型抗氧化Ti₂AlNb合金采用W、Si和Ta复合的方法可以明显提高强度力学水平。