專利名稱：一種鈦鎳鋁鈮高溫合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦鎳鋁鈮高溫合金材料，通過(guò)在鈦鎳合金中添加Al、Nb元素來(lái)提高鈦鎳合金的室溫屈服強(qiáng)度和高溫力學(xué)性能的一種新型高溫合金材料。
背景技術(shù)：
目前，在動(dòng)力、石化、運(yùn)輸、特別是航空及航天等工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用在600℃以上的金屬結(jié)構(gòu)材料通常為鎳基、鐵基和鈷基高溫合金。這些材料具有較高的密度(一般在8.0g/cm3以上)，所制成的構(gòu)件和設(shè)備重量大，為了減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗，必須開(kāi)發(fā)低密度、高強(qiáng)度的新型高溫合金以適應(yīng)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的需要。
二元TiNi合金是一種具有優(yōu)良力學(xué)性能、良好的耐蝕性和生物相容性的金屬間化合物，作為形狀記憶合金功能材料已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和生活等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。這種合金的密度為6.3g/cm3，比鎳基、鐵基和鈷基高溫合金低20％左右。
在TiNi合金基礎(chǔ)上，通過(guò)添加高純度Al、Nb元素來(lái)提高合金的室溫屈服強(qiáng)度和高溫力學(xué)性能，開(kāi)發(fā)出新型的低密度、高強(qiáng)度高溫合金替代傳統(tǒng)高溫合金，可以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種低密度、高比強(qiáng)度TiNiAlNb高溫合金材料，該TiNiAlNb高溫合金作為結(jié)構(gòu)材料在高溫使用，可以替代傳統(tǒng)的高密度鎳基、鐵基和鈷基高溫合金材料，可以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗。
本發(fā)明的一種鈦鎳鋁鈮高溫合金材料，由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)、1at％～15at％的鋁(Al)和1at％～10at％的鈮(Nb)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發(fā)明的鈦鎳鋁鈮高溫合金材料也可以由50at％～60at％的鈦(Ti)、40at％～50at％的鎳(Ni)、4at％～10at％的鋁(Al)和2at％～8at％的鈮(Nb)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
所述的鈦鎳鋁鈮高溫合金材料組份為Ti51Ni41Al5Nb3或者Ti53Ni37Al4Nb6。
所述的鈦鎳鋁鈮高溫合金材料，其在18℃屈服強(qiáng)度為1100MPa～1800MPa，變形率大于10％；在高溫600℃～800℃的屈服強(qiáng)度為1150MPa～350MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能為600℃～800℃靜態(tài)空氣中100小時(shí)氧化增重0.005mg/cm2～5.00mg/cm2；該鈦鎳鋁鈮高溫合金材料密度為5.20～6.30g/cm3。
本發(fā)明的一種鈦鎳鋁鈮高溫合金材料的制備方法，包括下列步驟(1)按配比稱取純度為99.9％的鈦(Ti)、純度為99.9％的鎳(Ni)、純度為99.9％的鋁(Al)和純度為99.9％的鈮(Nb)；(2)將上述稱取的鈦、鎳、鋁和鈮原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2700℃～3000℃熔煉成TiNiAlNb高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAlNb高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫12～24小時(shí)后，隨爐冷卻，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15Nb1～10高溫合金材料。
本發(fā)明TiNiAlNb高溫合金材料的優(yōu)點(diǎn)(1)在TiNiAl合金基礎(chǔ)上，通過(guò)添加高純度Nb元素來(lái)提高合金的室溫屈服強(qiáng)度和高溫力學(xué)性能以及抗高溫氧化性，這類合金密度為5.20～6.30g/cm3，室溫屈服強(qiáng)度為1100～1800MPa，在高溫600℃～800℃的屈服強(qiáng)度為1150MPa～350MPa，塑性大于10％，在600℃～800℃之間抗高溫氧化性能為600℃～800℃靜態(tài)空氣中100小時(shí)氧化增重0.005mg/cm2～5.00mg/cm2；(2)該TiNiAlNb高溫合金材料與具有相同Al原子百分比的TiNiAl高溫合金相比，在600℃～800℃之間具有更好的抗高溫氧化性能。


圖1是Ti51Ni41Al5Nb3圓柱試樣在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃幾個(gè)不同溫度下的壓縮試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明是一種TiNiAlNb高溫合金材料，由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)、1at％～15at％的鋁(Al)和1at％～10at％的鈮(Nb)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。為了改變本發(fā)明TiNiAlNb高溫合金材料的密度，其高溫合金材料也可以由50at％～60at％的鈦(Ti)、40at％～50at％的鎳(Ni)、4at％～10at％的鋁(Al)和2at％～8at％的鈮(Nb)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
5)、裝置主要操作參數(shù)及減壓渣油分析數(shù)據(jù)常減壓裝置經(jīng)過(guò)技術(shù)改造和優(yōu)化操作(操作參數(shù)見(jiàn)表5)后，奧里乳化油和新疆稠油混煉生產(chǎn)出的減壓渣油委托交通部公路科學(xué)研究所進(jìn)行了全面的瀝青分析，分析結(jié)果(見(jiàn)表6)，完全符合《重交通道路石油瀝青技術(shù)要求》AH-90號(hào)瀝青的技術(shù)要求。
表5裝置主要操作參數(shù)

表6 混合原油減壓渣油分析數(shù)據(jù)

實(shí)施例1制Ti51Ni41Al5Nb3高溫合金材料(1)稱取51at％純度為99.9％的鈦、41at％純度為99.9％的鎳、5at％純度為99.9％的鋁和3at％純度為99.9％的鈮；(2)將上述鈦、鎳、鋁和鈮原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2800℃熔煉成TiNiAlNb高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAlNb高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度2×10-3Pa，熱處理溫度900℃下保溫12小時(shí)后，隨爐冷卻，即得到本發(fā)明要求的Ti51Ni41Al5Nb3高溫合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Ti51Ni41Al5Nb3高溫合金材料中切取直徑d＝6mm，高度h＝9mm的圓柱體作為力學(xué)性能測(cè)試樣品，采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮壓力—應(yīng)變測(cè)試，壓縮應(yīng)變速率為0.02mm/min，在600℃下測(cè)得屈服強(qiáng)度和變形率分別為1050MPa和35％，在650℃下測(cè)得屈服強(qiáng)度和變形率分別為800MPa和31％。采用線切割方法切取長(zhǎng)L＝10mm，寬W＝5mm，高H＝5mm的長(zhǎng)方體樣品作為密度和抗高溫氧化性能測(cè)試樣品，測(cè)量樣品的質(zhì)量M1＝1.5376g，計(jì)算合金密度ρ＝6.15g/cm3；將樣品置于600℃的靜態(tài)空氣中保持100小時(shí)后，測(cè)量樣品的氧化增重為0.005mg/cm2；將樣品置于650℃的靜態(tài)空氣中保持100小時(shí)后，測(cè)量樣品的氧化增重為0.006mg/cm2。其它不同溫度條件下的狀況請(qǐng)參見(jiàn)圖1所示。圖中示出Ti51Ni41Al5Nb3高溫合金材料在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃溫度下的壓縮試驗(yàn)結(jié)果。本發(fā)明的Ti51Ni41Al5Nb3高溫合金材料在800℃時(shí)的屈服強(qiáng)度最低，而在600℃～800℃之間屈服強(qiáng)度為較佳狀態(tài)。該TiNiAlNb高溫合金材料與具有相同Al原子百分比的Ti51Ni44Al5高溫合金相比，在600℃～800℃之間具有更好的抗高溫氧化性能。
實(shí)施例2制Ti53Ni37Al4Nb6高溫合金材料(1)稱取53at％純度為99.9％的鈦、37at％純度為99.9％的鎳、54at％純度為99.9％的鋁和6at％純度為99.9％的鈮；(2)將上述鈦、鎳、鋁和鈮原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在3000℃熔煉成TiNiAlNb高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAlNb高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度2×10-3Pa，熱處理溫度900℃下保溫24小時(shí)后，隨爐冷卻，即得到本發(fā)明要求的Ti53Ni37Al4Nb6高溫合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Ti53Ni37Al4Nb6高溫合金材料中切取直徑d＝6mm，高度h＝9mm的圓柱體作為力學(xué)性能測(cè)試樣品，采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮壓力—應(yīng)變測(cè)試，壓縮應(yīng)變速率為0.02mm/min，在650℃下測(cè)得屈服強(qiáng)度和變形率分別為750MPa和33％，在700℃下測(cè)得屈服強(qiáng)度和變形率分別為570MPa和35％。采用線切割方法切取長(zhǎng)L＝10mm，寬W＝5mm，高H＝5mm的長(zhǎng)方體樣品作為密度和抗高溫氧化性能測(cè)試樣品，測(cè)量樣品的質(zhì)量M1＝1.4910g，計(jì)算合金密度ρ＝5.96g/cm3；將樣品置于650℃的靜態(tài)空氣中保持100小時(shí)后，測(cè)量樣品的氧化增重為0.005mg/cm2；將樣品置于700℃的靜態(tài)空氣中保持100小時(shí)后，測(cè)量樣品的氧化增重為0.05mg/cm2。
本發(fā)明TiNiAlNb高溫合金材料是在TiNi合金基礎(chǔ)上，通過(guò)添加高純度Al、Nb元素來(lái)提高合金的室溫屈服強(qiáng)度和高溫力學(xué)性能，這類合金密度為5.20～6.30g/cm3，室溫屈服強(qiáng)度為1100～1800MPa，在高溫600℃～800℃的屈服強(qiáng)度為1150MPa～350MPa，塑性大于10％，在600℃～800℃之間具有良好的力學(xué)性能和抗高溫氧化性能，具有低密度、高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種鈦鎳鋁鈮高溫合金材料，其特征在于由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)、1at％～15at％的鋁(Al)和1at％～10at％的鈮(Nb)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鎳鋁鈮高溫合金材料，其特征在于由50at％～60at％的鈦(Ti)、40at％～50at％的鎳(Ni)、4at％～10at％的鋁(Al)和2at％～8at％的鈮(Nb)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦鎳鋁鈮高溫合金材料，其特征在于鈦鎳鋁鈮高溫合金材料為Ti51Ni41Al5Nb3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鎳鋁鈮高溫合金材料，其特征在于鈦鎳鋁鈮高溫合金材料為Ti53Ni37Al4Nb6。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦鎳鋁鈮高溫合金材料，其特征在于該合金材料在18℃屈服強(qiáng)度為1100MPa～1800MPa，變形率大于10％；在高溫600℃～800℃的屈服強(qiáng)度為1150MPa～350MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能為600℃～800℃靜態(tài)空氣中100小時(shí)氧化增重0.005mg/cm2～5.00mg/cm2；該鈦鎳鋁鈮高溫合金材料密度為5.20～6.30g/cm3。
6.一種鈦鎳鋁鈮高溫合金材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)按配比稱取純度為99.9％的鈦(Ti)、純度為99.9％的鎳(Ni)、純度為99.9％的鋁(Al)和純度為99.9％的鈮(Nb)；(2)將上述稱取的鈦、鎳、鋁和鈮原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2700℃～3000℃熔煉成TiNiAlNb高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAlNb高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫12～24小時(shí)后，隨爐冷卻，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15Nb1～10高溫合金材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鈦鎳鋁鈮高溫合金材料，該合金材料由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)、1at％～15at％的鋁(Al)和1at％～10at％的鈮(Nb)組成。該合金材料在18℃屈服強(qiáng)度為1100MPa～1800MPa，變形率大于10％；在高溫600℃～800℃的屈服強(qiáng)度為1150MPa～350MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能為600℃～800℃靜態(tài)空氣中100小時(shí)氧化增重0.005mg/cm
文檔編號(hào)C22C1/02GK1644731SQ200510053909
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月14日
發(fā)明者李巖, 徐惠彬, 趙新青, 宮聲凱, 李樹(shù)索 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)