專利名稱：一種耐高溫鈦鋁基合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫合金領(lǐng)域技術(shù)，特別是涉及一種耐高溫鈦鋁基合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航空、航天、汽車、艦船等發(fā)動機(jī)性能不斷提高，對高溫材料的性能
提出了更高的要求，即更高的強(qiáng)度、抗氧化性能和更輕的密度等。Y-TiAl基合金材料具有良好的高溫強(qiáng)度、蠕變抗力和抗氧化性能等優(yōu)點，正在發(fā)展成為新一代航空發(fā)動機(jī)材料，可用于制造壓氣機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片，壓氣機(jī)定子擋風(fēng)板，定子機(jī)座以及其他形狀復(fù)雜的大尺寸鑄造和鍛造零件，以部分替代笨重的鎳基高溫合金可減重約50%。 Y-TiAl基合金已用于制造汽車發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器、氣閥等。目前，中國和世界各工業(yè)國家都在積極地開展研究，但己經(jīng)實際應(yīng)用的合金種類很少。
從鈦鋁合金材料的理論研究來看當(dāng)鈦鋁合金鑄造過程中凝固路線為Y相凝固時，凝固后的鈦鋁合金多處于Y單相區(qū)，單相Y-TiAl的室溫延伸率非常差，原因是單相Y-TiAl室溫下很多位錯不可動，而主要的滑移位錯又被層錯偶極子釘扎。而a2+Y組織在延伸率和強(qiáng)度上明顯優(yōu)于單相y-TiAl，原因是a2吸收氧，
從而降低了Y中的氧含量，利于位錯滑移。
目前為止鈦鋁合金制備過程中a相凝固路線研究最多，其中AP/。研究最多的是46-47at%。 Ti-(46-47 at%)Al鈦鋁合金材料的凝固路線為a相凝固，a相凝固路線如下L (液相)—a相—a+Y—a2+Y，室溫下組織為a2+Y。凝固過程中L相冷卻時首先生成的a晶體形成明顯的柱狀晶組織，而后續(xù)形成的Y片層垂直于(x相的柱狀晶生長的方向，導(dǎo)致鑄態(tài)組織具有明顯的各向異性，鑄件各部位性能差異明顯。
為了解決a相凝固時鈦鋁合金的組織均勻性和性能較差的問題，可以在上述Al含量的Y-TiAl合金中添加適量的(3穩(wěn)定元素如Nb、 Zr、 Hf等，使Ti-Al合金相圖中的(3相區(qū)向右移動，實現(xiàn)(3相凝固；或者調(diào)整A1含量的取值范圍，使，TiAl合金中Al含量約為44at。/?；蛞韵?，以實現(xiàn)(3相凝固，但如果Al含量過低則粗大的P相增加導(dǎo)致塑性很差。(3相凝固路線如下L (液相)—L+(3—卩—a+卩—a—a+y—a2+Y，室溫下組織為"2+7,如Ti-44A1-0.2B合金。但當(dāng)Y-TiAl合金中含有一定含量的(3穩(wěn)定元素時，卩相凝固路線為L (液相)—L+(3—卩—a+p4a+(3m—a+Y+(3m—a2+y+|3m，室溫下組織為a2+y+pm (卩m為亞穩(wěn)(3相)，如Ti-44Al-5Nb-0.2B合金。卩相凝固過程中，由于卩晶粒中可以形成12個完全不同方向的a變體，最終在每個卩晶粒中得到取向完全不同的板條團(tuán)，該組織各向異性很小，各部位力學(xué)性能基本一致。
在鈦-鋁二元合金相圖上，當(dāng)Al含量高于44 at %左右時，Y-TiAl合金凝固過程中將發(fā)生包晶反應(yīng)L+p—ct，凝固路線為L(液相)4L+p4(3+a4a—a+Y4a2+Y或L—L+(3—L+a—a—a+Y—a2+Y。含包晶反應(yīng)的鈦鋁合金凝固過程中，包晶反應(yīng)發(fā)生在(3相和液相界面處，當(dāng)a相從液相處開始形核，如前所述將使鑄態(tài)組織具有明顯的各向異性；當(dāng)a相從P相處開始形核，將得到取向完全不同的較粗大板條團(tuán)，該組織各向異性很小。經(jīng)國內(nèi)外多年研究和測試，經(jīng)過包晶反應(yīng)的，TiAl合金可以在實際應(yīng)用，但凝固后鑄件成分的均勻性較經(jīng)p相凝固的Y-TiAl合金要差。
專利US6051084指出Nb可以極大地改善鈦鋁合金的抗氧化性能，提高合金的高溫強(qiáng)度及蠕變性能，當(dāng)Nb含量為6~10%時合金均具有較好的抗氧化性能。Cr可以提高合金的延伸率，與其它(3穩(wěn)定元素相比不會降低Ti-Al-Nb合金的抗氧化性能。
中科院金屬所R.Yang教授等，在《Alloy development and shell mould castingof gamma TiAl》(Journal of materials processing technology [J], 2003,135:179-188)中研究了 2 at %Nb、 5 at %Nb、 8 at %Nb分別對y-TiAl合金抗氧化性 能和抗熱疲勞性能的影響，得出Nb含量為5站％時抗氧化性能、抗熱疲勞性能 較8 at %Nb時更好；當(dāng)Nb含量為2 at %時鈦鋁合金抗熱疲勞性能最好。
專利US6294132指出Ni可以提高p相的蠕變抗力、增加合金內(nèi)部的摩擦 和提高抗震性能；Si可以提高鈦鋁合金的高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，并可以提高合 金的抗氧化性能。干勇、田志凌等在《屮國材料工程大典(第2巻上)》(化學(xué) 工業(yè)出版社，2006:817)屮指出，適量的Si可以提高鈦鋁合金澆注的流動性并 降低熱裂敏感性，Ni可以增加材料的流動性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題提供一種耐高溫鈦鋁基合金及其制備方法，該 合金屬于，TiAl合金，既有良好的室溫塑性，又有良好的抗蠕變性能和抗氧化 性能，能提高普通TiAl合金的使用溫度，使鈦鋁合金能在800-90(TC下使用； 同時，該耐高溫，TiAl合金材料具有良好的鑄造性能，適合于薄壁零件的鑄造。
為了達(dá)到解決上述技術(shù)問題的H的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案本發(fā)明 的一種耐高溫鈦鋁基合金，屬于Y-TiAl合金，具體化學(xué)成分為Al: 44.0-48.0 at%; Nb: 3.0~5.0at%; Cr: 0.2-2.0at%; Ni: 0.1-0.8at%;Si: 0-0.8 at%; 其余為Ti及不可避免的雜質(zhì)元素。
上述的一種耐高溫鈦鋁基合金，優(yōu)選的組成可以是Al可以優(yōu)選46.0 47.0 at%，更優(yōu)選46.5at。/。； Nb可以優(yōu)選3.5~4.5 at%，更優(yōu)選4.0atW; Cr可以優(yōu)選 0.5-1.5at%，更優(yōu)選1.0at。/。； Ni可以優(yōu)選0.2-0.6 at%，更優(yōu)選0.4 at%; Si可以 優(yōu)選0.2-0.8 at%，更優(yōu)選0.5 at%。
Nb可以極大地改善鈦鋁合金的抗氧化性能，提高合金的高溫強(qiáng)度及蠕變性 能，但隨著Nb含量的增大，鈦鋁合金材料熔煉澆注過程中的流動性能會隨之 降低。因此，高Nb含量的鈦鋁合金不利于薄壁零件的澆注成型。本發(fā)明在高
5Nb鈦鋁合金的基礎(chǔ)上迠度降低Nb含量至3.0 5.0at%，在較普通鈦鋁合金具有 更高抗氧化性能、高溫強(qiáng)度及蠕變性能的同時，提高了鈦鋁合金鑄造時的流動 性能，在真空感應(yīng)爐和真空自耗電弧爐熔煉澆鑄時可以更好地成型鈦鋁合金薄 壁件。同時，適度降低Nb含量可以降低鈦鋁合金材料的成木。
Cr可以提高鈦鋁合金的延伸率，與其它(3穩(wěn)定元素相比不會降低Ti-Al-Nb 系合金的抗氧化性能，本專利材料中通過添加適量的Cr提高了鈦鋁零件的室溫 加工性能，但當(dāng)Cr含量過高時會降低材料的塑性。通過添加適量的Ni有利于 改善材料的蠕變性能、增加合金內(nèi)部的摩擦和提高抗震性能，如果Ni過高會使 材料的室溫延伸率降低；添加適量的Si可以提高鈦鋁合金的蠕變強(qiáng)度和抗氧化 性能，但當(dāng)Si含量過卨時材料的室溫延伸率會降低。
考慮到B元素可以顯著細(xì)化Y-TiAl合金的晶粒尺寸，但含B的TiAl合金 鑄造顯微組織中易出現(xiàn)lmm以上的大晶粒，在需要承載較大應(yīng)力的零件中，B 化物常導(dǎo)致零件的過早斷裂失效。因此，本專利中未添加晶粒細(xì)化元素B。
通過實驗與分析鈦鋁合金中不同元素及含量對材料力學(xué)性能及鑄造性能 的影響，本發(fā)明的鈦鋁合金材料為Ti- (44~48at%)Al-(3 5at%) Nb-(0.2-2.0at%)Cr-(0.1-0.8at%)Ni-(0-0.8 at%)Si。
本發(fā)明的一種耐高溫鈦鋁基合金制備方法是采用海綿鈦或其它純鈦料、
AlNb合金、AlCr合金、純Ni、純Al以及純Si作為原料，或者其他能夠使合 金的最終組成符合比例要求的原料，在真空自耗電極電弧凝殼爐或真空感應(yīng)爐 中熔煉并澆鑄成型，澆鑄成型時可以對鈦鋁合金鑄錠進(jìn)行真空熔煉后澆鑄或進(jìn) 行充氬熔煉后澆鑄；所述真空熔煉后澆鑄是指鑄錠真空熔煉前需要預(yù)抽一定的 真空，并待鈦鋁合金液體完全熔化后方可澆鑄成型；所述充氬熔煉后澆鑄工藝 是指充氬熔煉前爐內(nèi)需要預(yù)抽一定的真空度，之后充入氬氣到一定壓力后進(jìn)行 熔煉，并待鈦鋁合金液體完全熔化后方可澆鑄成型。上述一種耐高溫鈦鋁基合 金制備方法，其感應(yīng)爐熔煉鈦鋁合金鑄錠時需要熔煉兩次以上以保證材料的均 勻性；真空自耗電極電弧凝殼爐澆鑄用鈦鋁合金鑄錠的制備方法為首先擠壓鈦鋁合金電極，之后在真空自耗電極電弧爐中熔煉成鈦鋁合金鑄錠。
上述一種耐高溫鈦鋁基合金的制備方法，具體優(yōu)選的制備方法可以是預(yù)抽
真空度在3.5Pa以下。
上述一種耐高溫鈦鋁基合金的制備方法，具體優(yōu)選的制備方法也可以是惰
性保護(hù)氣體是氬氣，熔煉時的氬氣壓力在60000 Pa以上。
原料根據(jù)具體工藝也可以選擇其他原料，只要能夠使合金的最終組成符合 Al: 44.0 48.0 at%、 Nb: 3.0 5.0 at%、 Cr: 0.2-2.0at%、 Ni: 0.1-0.8at%、 Si: 0-0.8 at%、其余為Ti的比例要求即可。
本發(fā)明提供的-種耐高溫鈦鋁基合金，提高了普通TiAl合金的使用溫度， 使鈦鋁合金能在800-卯(TC下使用，而且既有良好的室溫塑性，又有良好的抗蠕 變性能和抗氧化性能。同時，該耐高溫Y-TiAl合金材料具有良好的鑄造性能， 適合于薄壁零件的鑄造，特別是適合鑄造高溫下應(yīng)用的輕型構(gòu)件材料，如航空 發(fā)動機(jī)、汽車發(fā)動機(jī)渦輪增壓器中渦輪葉片等，能夠提高航空發(fā)動機(jī)、汽車發(fā) 動機(jī)的使用性能，具有巨大的市場前景。
具體實施例方式
實施例1
制備過程中采用海綿鈦、AlNb50合金、AlCr50合金、純Ni、純Al以及純 Si作為原料，配制鈦鋁合金Ti-46at%Al-4at%Nb-0.6at%Cr-0.2at%Ni-0.1Si。在真 空感應(yīng)爐中預(yù)抽真空度3.5Pa，之后充氬到60000Pa后進(jìn)行熔煉，當(dāng)鈦鋁合金材 料完全熔化后再繼續(xù)熔煉攪拌2min之后停止熔煉，將鈦鋁合金鑄錠冷卻到室 溫；按以上工藝鈦鋁鑄錠總共反復(fù)熔煉三次(每次熔煉前將鑄錠方向?qū)φ{(diào))后 澆鑄鈦鋁合金薄壁件及力學(xué)測試試棒。
經(jīng)測試鈦鋁合金室溫性能為抗拉強(qiáng)度為360Mpa，延仲率為0.80%; 900°C 高溫性能抗拉強(qiáng)度為340Mpa，延伸率為2.5%。實施例2
制備過程中采用海綿鈦、AlNb50合金、AlCr50合金、純Ni、純Al作為 原料，配制鈦鋁合金Ti-44at%Al-5at%Nb-0.2at%Cr-0.8at%Ni。在真空感應(yīng)爐中 預(yù)抽真空度3.5Pa，之后充氬到60000Pa后進(jìn)行熔煉，當(dāng)鈦鋁合金材料完全熔化 后再繼續(xù)熔煉攪拌2min之后停止熔煉，將鈦鋁合金鑄錠冷卻到室溫；按以上工 藝總共鈦錠反復(fù)熔煉三次后(每次熔煉前將鑄錠方向?qū)φ{(diào))澆鑄鈦鋁合金薄壁 件及力學(xué)測試試棒。
經(jīng)測試鈦鋁合金室溫性能為抗拉強(qiáng)度為400Mpa，延伸率為0.50%; 900°C 高溫性能抗拉強(qiáng)度為360Mpa，延伸率為3.0%。
實施例3:
制備過程中采用海綿鈦、AlNb50合金、AlCr50合金、純Ni、純Al以及 純Si作為原料，配制鈦鋁合金Ti-48at%Al-3at%Nb-2at%Cr-0.1at%Ni-0.8Si。在
真空感應(yīng)爐中預(yù)抽真空度3.5Pa，之后充氬到60000Pa后進(jìn)行熔煉，當(dāng)鈦鋁合金 材料完全熔化后再繼續(xù)熔煉攪拌2min之后停止熔煉，將鈦鋁合金鑄錠冷卻到室 溫；按以上工藝總共鈦錠反復(fù)熔煉三次后(每次熔煉前將鑄錠方向?qū)φ{(diào))澆鑄 鈦鋁合金薄壁件及力學(xué)測試試棒。
經(jīng)測試鈦鋁合金室溫性能為抗拉強(qiáng)度為340Mpa，延伸率為0.60%; 90CTC 高溫性能抗拉強(qiáng)度為300Mpa，延伸率為2.0%。
權(quán)利要求
1、一種耐高溫鈦鋁基合金，其特征在于該合金屬于γ-TiAl合金，具體化學(xué)成分為Al44.0～48.0at％、Nb3.0～5.0at％、Cr0.2-2.0at％、Ni0.1-0.8at％、Si0-0.8at％、其余為Ti及不可避免的雜質(zhì)元素。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種耐高溫鈦鋁基合金，其特征在于所述合金具體化學(xué)成分為Ah 46.0 47.0 at%、 Nb: 3.5 4.5 at%、 Cr: 0.5-1.5at%、 Ni: 0.2-0.6 at%、 Si: 0.2-0.8 at%、其余為Ti及不可避免的雜質(zhì)元素。
3、 權(quán)利要求1所述一種耐高溫鈦鋁基合金的制備方法，其特征在于采用 海綿鈦或其它純鈦料、AlNb合金、AlCr合金、純Ni、純Al以及純Si作為原料，或者其他能夠使合金的最終組成符合比例要求的原料，在真空自耗電極電 弧凝殼爐或真空感應(yīng)爐中熔煉并澆鑄成型，澆鑄成型時可以對鈦鋁合金鑄錠進(jìn) 行真空熔煉后澆鑄或進(jìn)行充氬熔煉后澆鑄；所述真空熔煉后澆鑄是指鑄錠真空 熔煉前需要預(yù)抽一定的真空，并待鈦鋁合金液體完全熔化后方可澆鑄成型；所 述充氬熔煉后澆鑄工藝是指充氬熔煉前爐內(nèi)需要預(yù)抽一定的真空度，之后充入 氬氣到一定壓力后進(jìn)行熔煉，并待鈦鋁合金液體完全熔化后方可澆鑄成型。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種耐高溫鈦鋁基合金的制備方法，其特征在于 所述感應(yīng)爐熔煉鈦鋁合金鑄錠時需要熔煉兩次以上以保證材料的均勻性；所述 真空自耗電極電弧凝殼爐澆鑄用鈦鋁合金鑄錠的制備方法為首先擠壓鈦鋁合 金電極，之后在真空自耗電極電弧爐中熔煉成鈦鋁合金鑄錠。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種耐高溫鈦鋁基合金的制備方法，其特征在于 所述制備方法預(yù)抽真空度要求在3.5Pa以下。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種耐高溫鈦鋁基合金的制備方法，其特征在于 所述惰性保護(hù)氣體是氬氣，熔煉時的氬氣壓力在60000 Pa以上。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種耐高溫鈦鋁基合金及其制備方法，合金屬γ-TiAl合金，成分為Al44.0～48.0at％、Nb3.0～5.0at％、Cr0.2-2.0at％、Ni0.1-0.8at％、Si0-0.8at％、其余為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素；以海綿鈦、AlNb合金、AlCr合金、Ni、Al及Si為原料，在真空自耗電極電弧凝殼爐或真空感應(yīng)爐中熔煉并澆鑄成型，澆鑄時可以對鈦鋁合金鑄錠進(jìn)行真空熔煉后澆鑄或進(jìn)行充氬熔煉后澆鑄。該合金具有良好的室溫塑性、抗蠕變性能和抗氧化性能，能在800-900℃下使用，適合于薄壁零件的鑄造，能提高航空發(fā)動機(jī)、汽車發(fā)動機(jī)的使用性能，具有巨大的市場前景。
文檔編號C22C14/00GK101476061SQ20091006418
公開日2009年7月8日 申請日期2009年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月6日
發(fā)明者周洪強(qiáng), 陳志強(qiáng) 申請人:洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司