鑄造高鈮鈦鋁基合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鑄造高鈮鈦鋁基合金及其制備方法，該合金按原子百分比的化學(xué)成分包括：Ti：38～49、Al：47～49at％、V：1.5～3.0at％、Cr：0.5～1.5at％、Nb：2～9at％，其余為雜質(zhì)元素。在該合金的化學(xué)成分中，由于包含2～9at％的高熔點(diǎn)元素Nb，并加入47～49.0at％的Al，形成了鈮含量與鋁含量均較高的高鈮高鋁的鈦鋁基合金，有效提高了合金的高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和抗氧化性，該合金使用溫度滿足了850℃～900℃高溫環(huán)境使用的要求。同時(shí)，該高鈮高鋁TiAl合金具有良好的鑄造性能，適合于制備薄壁鑄件，尤其適合鑄造高溫下應(yīng)用的輕型結(jié)構(gòu)件，能顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能。
【專利說明】鑄造高鈮鈦錯(cuò)基合金及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鈦鋁合金制備領(lǐng)域，特別是涉及一種鑄造高鈮鈦鋁基合金及其制備方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空、航天、車輛、艦船發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，要求發(fā)展更高比強(qiáng)度、高比模量和 更高使用溫度的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。Y-TiAl基合金具有低密度、較高彈性模量以及良好的 高溫強(qiáng)度、抗蠕變和抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，是頗具應(yīng)用潛力的金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料。
[0003] 目前鋼鐵研究總院所研究的Ti-(46. 0?48. 0)A1-(L 5?3. 5)V-((X 5?L 5)Cr 鑄造合金，具有優(yōu)異的室溫拉伸塑性和強(qiáng)度組合，其中，室溫拉伸塑性大于2. 5%，同時(shí)，在 650?750°C范圍內(nèi)具有較好的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力。然而，該合金高溫強(qiáng)度和抗氧化性尚 不能滿足750°C以上溫度的使用要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提供一種高溫強(qiáng)度和抗氧化性能滿足 850°C以上溫度使用要求的鑄造高鈮鈦鋁基合金及其制備方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鑄造高鈮鈦鋁基合金，該合金按原子百 分比的化學(xué)成分包括：Ti :38 ?49at%、A1 :47 ?49at%、V :1· 5 ?3. Oat%、Cr :0· 5 ? 1. 5at%、Nb :2?9at%，其余為雜質(zhì)元素。
[0006] 本發(fā)明的有益效果為：在該合金的化學(xué)成分中，由于包含2?9at%的高熔點(diǎn)元素 Nb，并加入47?49. Oat%的A1，形成了鈮含量與鋁含量均較高的高鈮高鋁的鈦鋁基合金， 有效提高了合金的高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和抗氧化性，該合金使用溫度滿足了 850°C?900°C 高溫環(huán)境使用的要求。
[0007] 同時(shí)，該高鈮高鋁TiAl合金具有良好的鑄造性能，適合于制備薄壁鑄件，尤其適 合鑄造高溫下應(yīng)用的輕型結(jié)構(gòu)件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片和汽車增壓器渦輪葉片這類 承受沿葉片長度方向載荷作用的部件，能顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能，具有廣闊的市場前 旦 -5^ 〇

【具體實(shí)施方式】
[0008] 下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例 僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0009] 本發(fā)明提供的是一種在850°C以上高溫下保持較高強(qiáng)度水平的鑄造鈦鋁基合 金，該合金按原子百分比的化學(xué)成分包括：Ti :38?49at%、A1 :47?49at%、V :1· 5? 3. 0at%、Cr :0· 5 ?1. 5at%、Nb :2 ?9at%，其余為雜質(zhì)元素。
[0010] 該合金為由Y相、α 2相和少量B2相組成的γ-TiAl合金，該合金的宏觀組織結(jié) 構(gòu)為柱狀晶組織結(jié)構(gòu)，柱狀晶結(jié)構(gòu)的尺寸為150?300 μ m ;該合金的微觀組織結(jié)構(gòu)為有取 向?qū)悠M織，由定向?qū)悠M織和少量晶間等軸Y相和少量B2相組成，層片間距為0.1? 0· 6 μ m〇
[0011] 根據(jù)多孿晶合成晶體（PST)力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，外加載荷與板條邊界平行時(shí)具有 較好的室溫和高溫性能。具有該組織的部件特別適用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等部件，因其在服役時(shí) 主要承受離心力，其受力方向與葉片長度方向平行，形成層片取向平行于表面的組織將有 利于提高其使用性能和可靠性。
[0012] 進(jìn)一步的，上述合金的化學(xué)成分中按原子百分比計(jì)，還包括：C :0. 1?0. 5at%和/ 或 Si :0· 1 ?lat%。
[0013] 上述合金的化學(xué)成分中按原子百分比計(jì)優(yōu)選為：Ti :39?47at %、A1 :48? 49at%、V :1· 5 ?3. 0at%、Cr :0· 5 ?1. 5at%、Nb :4 ?8at%，其余為雜質(zhì)元素。
[0014] 還包括的化學(xué)成分用量優(yōu)選為：C :0. 1?0. 3at%和/或Si :0. 2?0. 7at%。
[0015] 該合金由于具有特定的柱狀晶組織結(jié)構(gòu)的宏觀組織結(jié)構(gòu)和有取向?qū)悠M織的微 觀組織結(jié)構(gòu)，通過添加高熔點(diǎn)元素 Nb，可有效降低合金的層錯(cuò)能，提高了普通位錯(cuò)的臨界分 切應(yīng)力，同時(shí)可提高合金合金的擴(kuò)散系數(shù)，從而使合金具有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能。 但Nb含量并不是越高越好，當(dāng)Nb含量超過9at %時(shí)，由于合金中β /B2相顯著增多，反而對(duì) 合金力學(xué)性能不利。通過使合金中保持較高Α1含量，有利于提高合金氧化層中Α120 3的比 例，有利于提高合金高溫下的抗氧化性。
[0016] 該合金通過添加高熔點(diǎn)元素 Nb :2?9Nbat%以及47?49. 0&丨％的高含量八1，有 效提高了合金的高溫強(qiáng)度和抗氧化性。該鈦鋁基合金900°C抗拉強(qiáng)度達(dá)到了 560?644MPa， 與已發(fā)表文獻(xiàn)相比，本發(fā)明的鑄造高鈮、高鋁TiAl合的高溫強(qiáng)度處于較高水平，尤其是 高A1含量的合金900°C比強(qiáng)度已超過航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片常用等軸晶鑄造鎳基高溫合金 K417合金，達(dá)到了目前強(qiáng)度最高的非定向凝固鑄造高溫合金Mar-M247的水平。
[0017] 本發(fā)明的TiAl合金通過合適含量的高鈮高鋁相互配合，不需引入大量β相來增 加高溫變形能力，避免了高溫下大量無序β相對(duì)TiAl合金強(qiáng)度的不利影響，其高溫強(qiáng)度 和抗氧化性能滿足850°C以上溫度使用要求，適用于近凈成形、工藝流程短和成本較低的精 密鑄造成形工藝。該高鈮高鋁TiAl合金具有非常好的抗氧化性，該合金抗氧化實(shí)驗(yàn)按照 HB5258-2000進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)在空氣中進(jìn)行，溫度為900°C，100小時(shí)氧化增重為3?4mg/cm2水 平，達(dá)到HB5258-2000的抗氧化級(jí)別。
[0018] 另外，本發(fā)明的合金中添加 C、Si等間隙性元素除了通過沉淀強(qiáng)化方式提高合金 的高溫強(qiáng)度水平，還可提高合金持久、蠕變等長時(shí)力學(xué)性能。
[0019] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的鑄造高鈮鈦鋁基合金作進(jìn)一步說明。
[0020] 本發(fā)明實(shí)施例的鈦鋁基合金均采用海綿鈦、純鋁、純鉻、高純石墨、A1V55、AlNb60 合金作為原料，按照實(shí)施例1至實(shí)施例9的成分進(jìn)行配料，采用水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮爐 熔煉，兩次重熔后澆注試樣。實(shí)施例1至實(shí)施例9具體內(nèi)容見下表。
[0021] 表1本發(fā)明合金實(shí)施例與對(duì)比鑄造合金的900°C拉伸強(qiáng)度的對(duì)比
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 一種鑄造高鈮鈦鋁基合金，其特征在于，該合金按原子百分比的化學(xué)成分包括：Ti : 38 ?49at%、Al :47 ?49. 0at%、V:1.5 ?3. Oat%、Cr :0. 5 ?1.5at%、Nb :2 ?9at%， 其余為雜質(zhì)元素。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造高鈮鈦鋁基合金，其特征在于，所述該合金為由Y相、 α 2相和少量B2相組成的γ -TiAl合金，該合金的宏觀組織結(jié)構(gòu)為柱狀晶組織結(jié)構(gòu)，所述柱 狀晶結(jié)構(gòu)的尺寸為150?300 μ m ;該合金的微觀組織結(jié)構(gòu)由定向?qū)悠M織和少量晶間等軸 Y相和少量B2相組成，層片間距為0. 1?0. 6 μ m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鑄造高鈮鈦鋁基合金，其特征在于，所述合金的化學(xué)成分 中按原子百分比計(jì)還包括：C :0· 1?0· 5at%和/或Si :0· 1?lat%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造高鈮鈦鋁基合金，其特征在于，所述合金按原子百分比 的化學(xué)成分包括：Ti :39 ?47at%、Al :48 ?49at%、V :1· 5 ?3. 0at%、Cr :0· 5 ?1. 5at%、 Nb :4?8at%，其余為雜質(zhì)元素。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的鑄造高鈮鈦鋁基合金，其特征在于，所述合金的化學(xué)成 分中還包括按原子百分比計(jì)的：C:0. 1?0. 3at%和/或Si :0. 2?0. 7at%。
【文檔編號(hào)】C22C14/00GK104152745SQ201410422029
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】李海昭, 張熹雯, 朱春雷, 胡海濤, 李勝, 王新英, 張繼 申請人:鋼鐵研究總院