一种Ti600钛合金球形粉及其制备方法和用途

摘要:本发明提供一种Ti600合金球形粉制备方法及其用途。采用不同的混合方式将二氧化钛、氧化铝、氧化锡、二氧化锆、二氧化硅、氧化钼和氧化钇等原料混合,并依次通过第一还原、第一湿法处理和第二还原、第二湿法处理实现各种元素在钛基体中的均匀分布,从而得到球形度高、氧含量低的Ti600合金球形粉。本发明中所述的制备方法所需设备更为简单、工艺过程成本较低且易于实现,具有较高的工业利用价值。

加工工艺对Ti600合金板材组织性能的影响

测试了Ti600高温钛合金板材在不同加工及热处理状态下的室温拉伸及高温蠕变性能,分析对比了热机械处理工艺TMP(thermomechanicalprocess)对合金板材组织性能的影响规律与内在机制;另外还研究了Ti600合金板材焊接后热处理工艺对组织性能的影响。结果表明:采用热机械处理工艺(TMP)可获得充分生长的片层状团束组织(colonystructure),这种类型的组织显著提高了合金的高温蠕变抗力;板材焊接后应选择β区固溶热处理,以获得良好的室温与高温性能。

Ti600高温钛合金蠕变前后的组织变化

通过 OM,TEM等对航空用近 α高温钛合金 Ti60 0试样蠕变前后的显微组织进行了观察研究 ,结果发现 :随着蠕变条件的不同 ,硅化物粒子 (Ti5Si3)和 α2 (Ti3Al)粒子有着不同程度的析出 ,而且合金的残留 β相及次生 α相也有相应的变化。在蠕变过程中 ,α2 粒子的析出阻碍位错移动 ,强化了合金基体。稀土氧化物粒子 (Y2 O3)在蠕变前后比较稳定 ,其形貌和大小没有多大变化 ,粒子平均直径为 0 .6μm左右 ,最大直径不超过 1 μm。还研究了 60 0～650℃之间的蠕变试样 ,通过 TEM观察得知 ,在 650℃ /1 50 MPa/1 0 0 h试验条件下 ,Ti60 0合金的组织形貌仍然没有大的改变。

Ti600合金的性能与显微组织的研究

Ｔｉ６００ 合金是一种新型近α高温钛合金，其名义成分为Ｔｉ－６Ａｌ－２．８Ｓｎ－４Ｚｒ－０．５Ｍｏ－０．４Ｓｉ－０．１Ｙ（ｗ ｔ％ ）。测试了该合金在热暴露前后拉伸性能和蠕变性能，并进行了透射电镜和光学显微镜观察。研究结果表明：合金的机械性能优异，与美国Ｔｉ１１００ 性能水平相当；在常规热处理条件下，合金组织是一种典型的针状组织，该组织具有良好的抗蠕变性能。Ｔｉ６００ 合金热暴露后，合金中存在的α２ 相（Ｔｉ３Ａｌ）和Ｓ２ 相（Ｔｉ５Ｓｉ３）使合金的室温塑性降低。讨论稀土氧化物对合金显微组织及性能的影响，表明稀土的加入对改善合金蠕变性能有较大作用。

Ti600高温钛合金中析出物与蠕变性能的关系

根据Ti600合金中析出物的特点,设计5种热处理工艺,研究不同热处理工艺下合金的蠕变性能。结果表明:Ti600合金经1060℃固溶处理后,随着时效时间的延长,蠕变过程中动态析出效应逐渐减弱,合金对应的抗蠕变性能增强。在时效过程中,当有α2相形成时,合金具有最强的蠕变强化效应。Si元素无论是以固溶状态还是以析出状态存在,都具有蠕变强化作用,但固溶状态的强化效果优于析出状态的。固溶后时效时间的不同表明Ti600合金存在不同程度的蠕变动态析出强化效应,但是这种强化效应也伴随着析出物形成过程的扩散效应,这种扩散效应抵消了动态析出的强化效果。因此,为了强化蠕变性能,合金应该在充分时效的情况下使用。

高铌TiAl/Ti600合金电子束焊接头组织与性能

对高铌TiAl/Ti600合金进行了电子束焊接试验以便对高温钛合金与高铌TiAl合金高质焊接提供理论及试验依据,采用金相显微镜、扫描电子显微镜及X射线衍射仪等设备对焊接试样进行了分析.结果表明,高铌TiAl/Ti600接头极易产生裂纹缺陷.接头焊缝主要形成细针状α2-Ti3Al相及α-Ti相,而高铌TiAl侧热影响区呈现板条状及等轴组织形貌,Ti600侧热影响区为针状α'相.接头焊缝区硬度最大,达到586 HV,Ti600侧向高铌TiAl侧过渡过程中硬度逐渐增大,由焊缝到两侧热影响区硬度过渡梯度较大.高铌TiAl/Ti600电子束焊接头室温抗拉强度可达516 MPa,且接头断裂于偏高铌TiAl侧焊缝区,断裂性质为典型的脆性解理断裂,呈现穿晶断裂特征.

Ti600合金的高温本构方程

采用热模拟压缩试验研究了Ti600合金在变形温度为800～1100℃、应变速率为0.001～10s-1范围内应力-应变曲线的变化规律。研究结果表明:Ti600高温钛合金热变形的流变应力随温度的升高和应变速率的降低而减小;随着应变的增大,合金的真应力-真应变曲线在经历了明显的加工硬化阶段后达到最大值,然后渐渐出现流变“软化”现象。以经典的双曲正弦形式的模型为基础建立了Ti600合金热变形的本构方程,同时也通过对数据回归处理确定了合金不同温度下的应力指数n、应变激活能Q等数值。

SiC纤维增强Ti600复合材料界面研究

通过纤维涂层法(MCF)、结合热等静压(HIP)工艺制备了SiCf/Ti600复合材料,经不同条件真空热暴露试验后,结合SEM、EDS、XRD等分析技术对界面反应动力学和反应产物相形成的反应序列进行初步研究。结果表明,反应元素C、Si、Ti等出现浓度起伏,合金元素Al并没有显著扩散进入界面反应产物层,而是在界面反应前沿堆积,其界面反应产物被确认为:TiC、Ti5Si3和Ti3SiC2,界面反应产物的生长受扩散控制且遵循抛物线生长规律,其生长激活能Qk及指数系数K0分别为266.46kJ·mol-1、1.37×10-3m·s-1/2。

热处理对ZTi600铸造钛合金组织与性能的影响

研究热等静压及热处理工艺对ZTi600高温铸造钛合金组织与性能的影响。研究结果表明:退火温度对屈服强度和抗拉强度以及塑性略有影响,经过热等静压处理后,室温拉伸塑性大幅度提高,塑性随着热等静压温度的升高而升高,强度变化较小;ZTi600高温铸造钛合金组织以针状、板条状的魏氏组织为主,热等静压后晶粒尺寸减小,局部组织有等轴趋势。

稀土元素Y对Ti600合金组织和性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜和力学性能测试设备,研究了稀土Y对Ti600合金显微组织和性能的影响。结果发现,稀土Y可以细化合金的显微组织和晶粒。稀土Y对Ti600合金的室温拉伸强度影响不大,但可改善其塑性。另外稀土Y可以改变合金在热暴露过程中析出相的分布和尺寸,以及合金中的位错组态,对提高合金的热稳定性和蠕变抗力有利。

Ti600合金板材的轧制工艺与电子束焊接性能研究

测试研究了Ti600高温钛合金板材在不同加工及热处理状态下的室温拉伸及高温蠕变性能,分析对比了热机械处理工艺(thermom echan ical process-TMP)与常规加工热处理对合金板材组织形态特征与性能的影响规律与内在机制;另外还对Ti600合金板材的焊接性能进行了研究。结果表明:采用热机械处理工艺(TMP)可获得充分生长的片层状团束组织(colony structure),这种类型的组织显著提高了合金的高温蠕变性能。而且合金经电子束焊接后仍然具有良好的综合性能。

Ti600钛合金置氢后激活能及热塑性研究

采用热模拟实验方法,研究了Ti600钛合金置氢后的热塑性性能,确定了不同含氢量及工艺参数条件下的激活能。研究结果发现,氢含量对置氢Ti600钛合金的峰值应力具有明显影响,当氢含量小于0.2%(质量分数)时,由于此时氢元素对β相的稳定起主导作用,因此随氢含量的增加,峰值应力随之降低。当氢含量大于0.2%(质量分数)时,由于此时氢元素的固溶强化起主导作用,因此随氢含量的增加,峰值应力随之增加。在相同塑性性能的条件下,提高氢含量,可以降低Ti600钛合金的变形温度。根据热模拟实验数据,得到了Ti600钛合金在不同氢含量时的激活能及相关系数,确定了置氢Ti600钛合金的Arrhenius型本构方程。

Ti600合金中硅化物与蠕变性能关系的研究

研究了Ti600高温钛合金在固溶处理过程中,不同冷却速率对组织结构的影响及结构与性能之间的关系。重点考察冷却速度对抗蠕变强度的影响,以确定最合适的热处理制度。实验内容包括:观察α片层宽度与晶间α形貌随冷却速度的变化规律;测试不同状态下棒材的高温蠕变性能;分析组织特征与性能之间的相互关系;测定了Ti600合金中硅化物的溶解温度,研究硅化物对合金晶粒尺寸的影响规律。结果表明,在固溶处理过程中,随着冷却速率的增加,α片层宽度减小,硅化物对合金晶粒长大具有明显的抑制作用。当合金在硅化物溶解温度以下进行固溶处理时,其晶粒尺寸的增加比较缓慢,而当固溶温度一旦超过硅化物溶解温度,其晶粒尺寸则迅速增大。研究得出,合金的固溶处理温度处在相变点与硅化物溶解温度之间,合金可获得良好的综合性能。

热氢处理对Ti600合金的组织演变和硬度的影响

研究了热氢处理对Ti600合金组织演变和硬度的影响.结果表明:热氢处理后,在Ti600合金中析出具有四方结构的硅化物粒子S_3(0.357%H)和六方结构的硅化物粒子S_1(0.497%H).在氢的质量分数为0.357%和0.497%的试样中均发现有面心立方(fcc)的氢化物,并且随着氢含量的提高氢化物表现出明显细化的趋势.Ti600合金的硬度随着氢含量的提高而提高,其主要原因是氢化物、硅化物粒子以及晶格缺陷的存在.

Ti600合金置氢处理后热塑性研究

研究了不同含氢量对Ti600合金的热塑性及力学性能的影响规律。分析了变形温度、变形程度和应变速率对流动应力的影响。研究发现,Ti600合金置氢处理后,峰值应力明显降低,对应变速率的敏感程度有所降低,对温度变化的敏感程度降低。当氢含量为0.2%时Ti600合金表现出较低的变形抗力和较好的成形性能。

置氢质量分数0.4% Ti600合金扩散连接

进行了置氢质量分数0.4%的新型高温钛合金Ti600的真空扩散连接及接头力学性能测试,利用光学金相(OM)、扫描电镜(SEM)分析手段研究了连接工艺参数对界面孔洞弥合的影响以及拉伸断口特点。结果表明:氢元素能够显著提高扩散连接界面孔洞弥合率;随着连接温度的升高、连接时间的延长以及连接压力的增大,界面孔洞逐渐减少;当连接温度T=875℃,保温时间t=60min,焊接压力P=5MPa时,实现置氢Ti600的良好扩散结合,界面扩散孔洞消失;接头室温拉伸强度达1013MPa,为等条件下母材强度的96%,断口呈明显韧窝形貌。

置氢Ti600合金热变形本构关系

基于热模拟压缩试验数据,通过共线性诊断、变量筛选、回归分析等过程,建立了置氢Ti600合金热变形的本构关系。结果表明:回归计算值与试验值吻合较好,所建立的本构关系能够描述置氢Ti600合金热变形过程中应变、应变速率、变形温度对流变应力的影响规律。

发动机用Ti600高温钛合金组织及力学性能研究

应用光学显微镜、X射线衍射仪、力学性能测试等手段对航空发动机用Ti600高温钛合金的微观组织及力学性能进行了实验测试研究。结果表明:Ti600合金板材主要由等轴初生α晶粒和少量层片状的α+β共晶组织构成,晶粒细小,组织均匀,晶粒尺寸主要分布在2~4μm左右。Ti600合金板材在常温下具有较高的强度和塑性,随着温度的升高,抗拉强度和屈服强度表现出微弱的增长趋势,延伸率明显增大。Ti600合金板材为塑性断裂,具有韧窝型断口。

近α型Ti600合金吸氢热力学的研究

根据钛合金吸氢的热力学性质,通过管式氢处理炉,在不同的温度条件下利用连续多步吸氢法进行Ti600合金的吸氢热力学试验,建立不同温度条件下的PCT热力学曲线。研究结果表明:Ti600合金吸氢的平衡氢压随氢含量和温度的增加而增加,在较低温度下,PCT曲线存在一个很短的平台;当吸入Ti600合金中的氢超过其溶解度时,生成氢化物相,氢在氢化物相中的溶解度与其平衡氢压满足Sieverts’定律;根据Van’t Hoff定律,近α型的Ti600合金中αH→氢化物相变的焓变和熵变分别为-55.99 k J/mol和-131.585 J/(K·mol)。

Ti600合金吸氢的动力学特性

采用定容变压法测定不同初始氢分压下Ti600合金的吸氢动力学特性,研究不同氢含量下的微观组织。结果表明,随着氢含量的增加,初生α相和β相的形状、大小、分布及两相的比例均发生变化,Ti600合金的微观组织变得模糊,α相与β相相界模糊。Ti600合金在750℃下置氢时,吸氢过程只表现为第2吸氢阶段。在初始吸氢阶段,其Avrami指数n>1,表现为多级反应;充氢结束后200s时,氢化反应的Avrami指数n接近1,说明氢在合金内的扩散是氢化反应的速率控制步骤。