一种耐650℃钛基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及有色金属加工技术领域，具体涉及一种耐650℃钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

航空航天多种热结构对材料温度需求达到650℃以上，目前成熟应用的高温钛合金使用温度在600℃，现有材料无法满足新型飞行器对650℃以上服役温度的要求，新型耐高温结构材料的研发成为亟待解决的关键问题。在钛合金基体中引入颗粒、晶须等陶瓷析出相，并调控优化基体成分，可提高其强度、耐热性、抗持久蠕变能力、弹性模量等，使用温度达到650℃，可用于飞机蒙皮、防火墙、隔框、横梁、腹板及结构骨架等耐热结构部件，具有重要的应用前景。

因此，发明人提供了一种耐650℃钛基复合材料及其制备方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种耐650℃钛基复合材料及其制备方法，解决了钛基复合材料的高温性能不足、薄板制备困难的技术问题。

(2)技术方案

本发明的第一方面提供了一种耐650℃钛基复合材料，包括的组分及质量百分比为：铝6.0％～7.0％、锆1.0％～3.0％、钼0.5％～2.0％、钒0.1％～2.0％、硅0.1％～0.4％、硼0.3％～0.7％、碳0.01％～0.15％，余量为钛、难熔金属和不可避免的杂质元素。

进一步地，所述难熔金属包括铌、钨及钽中的至少一种，其质量百分比小于或等于2％。

本发明的第二方面提供了一种上述的耐650℃钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将元素原材料按质量百分比均匀混合，然后压制并焊接成熔炼电极，通过多次真空自耗电极熔炼制备出钛基复合材料锭坯；

步骤2、在所述钛基复合材料锭坯的表面涂耐高温抗氧化涂层后，在β+50℃～β+200℃相区进行保温处理，然后进行多火次锻造变形，每火次变形量为20～50％，然后空冷至室温，获得析出相细小且各向均匀分布的钛基复合材料锻坯；

步骤3、对所述钛基复合材料锻坯进行表面打磨处理，然后涂覆抗氧化涂层，得到钛基复合材料板坯；

步骤4、将所述钛基复合材料板坯置于β+50℃～β+200℃的加热炉中进行加热处理并保温，然后热轧，首火次进行多道次变形，每道次的变形量为10～35％，火次变形量为30～80％；

步骤5、在β+30℃～β+200℃的加热炉中进行加热处理并保温，换向后进行多道次变形，每道次的变形量为20～40％，火次变形量为40～80％，轧制变形后空冷至室温；

步骤6、重复步骤5进行至少一火次变形，然后将坯料进行表面处理，切割加工成合适尺寸，采用金属板材包覆坯料并封焊；

步骤7、将包覆处理好的坯料置于β+30℃～β+200℃的加热炉中并保温，进行多道次变形，得到半成品板材；其中，每道次的变形量为15～30％，终轧温度高于或等于β-50℃；

步骤8、对所述半成品板材进行表面处理，得到耐650℃钛基复合材料板材。

进一步地，所述钛基复合材料锭坯的组织由α+β相及α2相、TiB及硅化物构成。

进一步地，步骤2中的保温时间为3～10h。

进一步地，步骤4中的保温时间为H×(1.0～2.0)min，其中，H为坯料总厚度，单位为mm。

进一步地，步骤7中的保温时间为H×(1.0～1.5)min，其中，H为坯料总厚度，单位为mm。

进一步地，步骤7中的最后一道次变形量小于前一道次变形量且小于或等于25％。

进一步地，所述半成品板材的基体组织为近网篮状片层组织与不连续晶界α相的构成。

进一步地，步骤4～6中火次内的板坯进行短时回炉保温处理。

(3)有益效果

综上，本发明通过微米级陶瓷化合物、纳米级α2和硅化物相协同强化、添加难熔金属元素、以及调控基体组织形成片层组织提高高温强度，并细化β晶粒尺寸以改善塑性，实现了良好的室温塑性及高温强度匹配。采用β单相区以上锻造及轧制变形，大的火次及道次轧制变形量减少温降，严格控制终变形温度在β-50℃以上，精确调控终锻终轧火次中不同道次变形量，获得了具有近网篮组织特点的细小晶粒，TiB相呈细小均匀分布，实现了(0.9～2mm)×(800～1000mm)×(2000～2500mm)尺寸的钛基复合材料薄板制备，具有良好的室温及高温性能匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种耐650℃钛基复合材料的制备方法的流程示意图；

图2是本发明实施例1提供的一种钛基复合材料板材的组织照片图；

图3是本发明对比例1提供的一种钛基复合材料板材的组织照片图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明实施例提供的一种耐650℃钛基复合材料，包括的组分及质量百分比为：铝6.0％～7.0％、锆1.0％～3.0％、钼0.5％～2.0％、钒0.1％～2.0％、硅0.1％～0.4％、硼0.3％～0.7％、碳0.01％～0.15％，余量为钛、难熔金属和不可避免的杂质元素。

作为一种可选的实施方式，难熔金属包括铌、钨及钽中的至少一种，其质量百分比小于或等于2％。

图1是本发明实施例提供的一种耐650℃钛基复合材料的制备方法的流程示意图，如图1所示，该方法可以包括以下步骤：

S100、将元素原材料按质量百分比均匀混合，然后压制并焊接成熔炼电极，通过多次真空自耗电极熔炼制备出钛基复合材料锭坯。

具体为：将各合金元素原材料按质量百分比在混料机中均匀混合，然后压制并焊接成熔炼电极，通过三次真空自耗电极熔炼制备出钛基复合材料锭坯；锭坯组织由α+β相及α2相、TiB、硅化物等构成。

S200、在钛基复合材料锭坯的表面涂耐高温抗氧化涂层后，在β+50℃～β+200℃相区进行保温处理，然后进行多火次锻造变形，每火次变形量为20～50％，然后空冷至室温，获得TiB相细小且各向均匀分布的钛基复合材料锻坯。

具体为：保温时间为3～10h，然后进行6～9火次锻造变形，每火次变形量为20～50％，然后空冷至室温，获得TiB析出相细小且各向均匀分布的锻坯。该温度区间选取主要考虑到该材料变形抗力大，变形易开裂，需在较高温度下变形控制变形开裂，同时考虑到性能调控需要，温度不能过高，防止基体软化难以破碎大尺寸TiB，为保证能较好破碎TiB相，获得细小均匀的分布，并改善变形开裂情况选择了此温度区间。

S300、对钛基复合材料锻坯进行表面打磨处理，然后涂覆抗氧化涂层，得到钛基复合材料板坯。

具体为：对钛基复合材料锭坯表面打磨处理，然后涂覆抗氧化涂层，得到钛基复合材料板坯。

S400、将钛基复合材料板坯置于β+50℃～β+200℃的加热炉中进行加热处理并保温，然后热轧，首火次进行多道次变形，每道次的变形量为10～35％，火次变形量为30～80％。

具体为：保温时间为H×(1.0～2.0)min，H为坯料总厚度，单位为mm，然后在热轧机上轧制，首火次进行2～8道次变形。该温度区间选取主要考虑到该材料变形抗力大，变形易开裂，需在较高温度下变形控制变形开裂，同时考虑到性能调控需要，温度不能过高，防止β晶粒粗化严重，及调控TiB尺寸及分布需要，选择了此温度区间。

S500、在β+30℃～β+200℃的加热炉中进行加热处理并保温，换向后进行多道次变形，每道次的变形量为20～40％，火次变形量为40～80％，轧制变形后空冷至室温。

具体为：保温时间为H×(1.0～2.0)min，换向后进行2～10道次变形，道次变形量为20～40％，火次变形量为40～80％，轧制变形后空冷至室温，并根据设备条件分割调整坯料长度。该温度区间选取主要考虑到该材料变形抗力大，需在较高温度下变形控制变形开裂，同时考虑到调控TiB尺寸、分布及基体组织，选择了此温度区间。

S600、重复步骤S500进行至少一火次变形，然后将坯料进行表面处理，切割加工成合适尺寸，采用金属板材包覆坯料并封焊。

具体为：进行1～4火次变形，然后将坯料进行表面处理去除氧化皮及其他缺陷，切割加工成合适尺寸，采用金属板材包覆坯料，并封焊。

S700、将包覆处理好的坯料置于β+30℃～β+200℃的加热炉中并保温，进行多道次变形，得到半成品板材；其中，每道次的变形量为15～30％，终轧温度高于或等于β-50℃。

具体为：步骤S700中的保温时间为H×(1.0～1.5)min，其中，H为坯料总厚度，单位为mm。进行3～8道次变形，最后一道次变形量小于前一道次变形量且小于或等于25％，终轧温度不得低于β-50℃。保证基体组织为片层组织与不连续晶界α相构成，晶粒尺寸在100μm以下，TiB析出相尺寸在80μm以下；空冷后将包覆板去除，得到厚度0.9～3mm的800mm以上宽幅半成品薄板。半成品板材的基体组织为片层组织与不连续晶界α相的构成。该β+30℃～β+200℃的温度区间选取主要考虑到该材料变形抗力大，变形易开裂，需在较高温度下变形控制变形开裂，同时考虑到性能调控需要，温度不能过高，防止晶粒过分长大及调控TiB尺寸及分布，保证能获得细小的β晶粒改善室温塑性，并形成细小均匀分布的TiB相；综合加工性能和力学性能，选择了此温度区间。

该β-50℃的温度区间选取主要为了保证该材料性能，通过控制终轧温度使得基体形成得细小的β晶粒，晶粒内部为近网篮状的片层组织，TiB破碎均匀分布，且保证TiB破碎处界面完整，无微孔洞存在。

S800、对半成品板材进行表面处理，得到耐650℃钛基复合材料板材。

具体为：将空冷至室温的半成品板材进行表面砂光、碱酸洗等加工处理，得到厚度为0.8～2.5mm的800mm以上宽幅耐高温钛基复合材料板材。

另外，需要说明的是，步骤S400～S600中火次内的板坯表面无明显裂纹时可进行短时回炉保温处理。本发明通过控制制备参数，可实现TiB、α2及硅化物相尺寸及分布调控。

实施例1

(1)将Ti-6.5Al-2.5Zr-1.5Mo-0.5V-0.5Nb-0.5W-0.35Si-0.65B-0.04C原材料150kg在混料机中均匀混合，然后压制成电极并焊接成熔炼电极，通过三次真空自耗电极熔炼制备出钛基复合材料锭坯；

(2)将铸锭表面加工并涂耐高温抗氧化涂层后在1050～1150℃相区进行保温处理，然后进行4～7火次多向锻造变形，首火次保温4h，其余火次保温时间为2～3h，每火次变形量为20～40％，然后空冷至室温，获得TiB析出相细小且各向均匀分布的锻坯；

(3)对步骤(2)中的钛基复合材料锭坯表面打磨处理，得到厚度100mm的钛基复合材料板坯，然后涂覆抗氧化涂层；

(4)将步骤(3)中的钛基复合材料板坯置于1050～1150℃的加热炉中，并保温120～140min，然后在热轧机上轧制，首火次进行4～7道次变形，道次变形量为20～30％，火次变形量为45～60％；

(5)然后在1050～1150℃的加热炉中保温50～70min，换向后进行3～6道次变形，道次变形量为20～40％，火次变形量为50～75％，轧制变形后空冷至室温，沿长度方向中分并进行表面处理去除氧化皮及其他缺陷，采用钢板包覆坯料，并封焊；

(6)将包覆处理好的坯料置于1050～1150℃的加热炉中保温40～60min，进行3～6道次变形，道次变形量为15～30％，其中最后一道次变形量15～20％；得到厚度1.2～1.5mm的900mm以上宽幅半成品薄板，轧制后空冷至室温；

(7)将步骤(6)得到的半成品板材进行表面砂光、碱酸洗等加工处理，得到0.9～1.2mm×800～900mm×2000～2500mm板材。

本实施方式获得的复材薄板，室温拉伸强度可达1100MPa，延伸率达到8％；650℃拉伸强度可达630MPa，延伸率达到10％以上，具有良好的室温塑性及高温强度匹配。

实施例2

(1)将Ti-6.4Al-2.5Zr-1.1Mo-1Nb-0.1V-0.3Si-0.38B-0.08C合金原材料500kg在混料机中均匀混合，然后压制成电极并焊接成熔炼电极，通过三次真空自耗电极熔炼制备出钛基复合材料锭坯；

(2)将铸锭表面加工并涂耐高温抗氧化涂层后在1150℃相区进行保温处理，然后进行5～9火次多向锻造变形，首火次保温6～8h，其余火次保温时间为3～5h，每火次变形量为25～50％，空冷至室温，获得TiB细小且各向均匀分布的锻坯；

(3)对步骤(2)中的钛基复合材料锭坯表面打磨处理，得到厚度150mm的钛基复合材料板坯，包覆钢板封焊；

(4)将步骤(3)中的钛基复合材料板坯置于1050～1120℃的加热炉中，并保温270～300min，然后在热轧机上轧制，首火次进行7～9道次变形，道次变形量为10～30％，火次变形量为65～75％，轧制变形后空冷至室温，沿长度方向中分后进行表面处理并包覆钢板封焊；

(5)在1050～1150℃的加热炉中保温120～150min，换向后进行5～7道次变形，道次变形量为20～40％，火次变形量为65～70％，轧制变形后空冷至室温，沿长度方向中分后进行表面处理并包覆钢板封焊；

(6)然后在1050～1150℃的加热炉中保温80～100min，换向后进行4～6道次变形，道次变形量为20～40％，火次变形量为65～80％，轧制变形后空冷至室温，沿长度方向中分并进行表面处理去除氧化皮及其他缺陷，采用钢板包覆坯料，并封焊；

(7)将包覆处理好的坯料置于1050～1150℃的加热炉中保温70～90min，进行4～6道次变形，道次变形量为15～30％，其中最后一道次变形量小于20％；得到厚度1.5～1.7mm的900mm以上宽幅半成品薄板，轧制后空冷至室温；

(8)将步骤(7)中空冷至室温的半成品板材进行表面砂光、碱酸洗等加工处理，得到厚度为1.3～1.5mm的900mm～1000mm宽幅板材。

本实施方式获得的宽幅复材薄板，室温拉伸强度可达1050MPa以上，延伸率达到8％以上；650℃拉伸强度可达620MPa，延伸率达到15％以上，具有良好的室温塑性及高温强度匹配。

实施例3

与实施实施例1不同之处是原材料成分为Ti-6.7Al-2.5Zr-1.7Mo-1.5V-0.1Nb-0.3Si-0.65B-0.13C，其他均与实施例1一致。

本实施方式获得的宽幅复材薄板，室温拉伸强度可达1100MPa，延伸率达到9％以上；650℃拉伸强度可达600MPa，延伸率达到20％以上，具有良好的室高温性能匹配。

实施例4

与实施例1不同之处是原材料成分为Ti-6.5Al-2.5Zr-1.5Mo-0.5V-0.5Nb-0.5Ta-0.35Si-0.65B-0.06C，其他均与实施例1一致。

本实施方式获得的宽幅复材薄板，室温拉伸强度可达1000MPa，延伸率达到8％以上；650℃拉伸强度可达600MPa，延伸率达到15％以上，具有良好的室高温性能匹配。

实施例5

与实施例1不同之处是原材料成分为Ti-6.0Al-2.5Zr-1.7Mo-1.5V-0.3Nb-0.35Si-0.6B-0.14C，其他均与实施例1一致。

本实施方式获得的宽幅复材薄板，室温拉伸强度可达1000MPa，延伸率达到8％以上；650℃拉伸强度可达600MPa，延伸率达到15％以上，具有良好的室高温性能匹配。

对比例1

与实施例1不同之处是步骤(4)-(6)中板坯轧制温度为1000℃，道次变形量为20～40％，其他均与实施例1一致。

本实施方式获得的宽幅复材薄板组织为双态组织，等轴α相含量较多，TiB破碎断裂处存在较多微孔洞缺陷，室温拉伸强度为1200MPa，延伸率为3～5％；650℃拉伸强度为450～550MPa，延伸率为15％以上。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。