CN100577838C - 一种钛镍铝铌铪高温合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛镍铝铌铪高温合金材料，该合金材料由37at%～52at%的钛(Ti)、45at%～50at%的镍(Ni)、1at%～6at%的铝(Al)、1at%～3at%的铌(Nb)和1at%～4at%的铪(Hf)组成。该合金材料具有良好的持久性能和优异的抗氧化性能，在20℃时的屈服强度为1200～2400MPa，变形率大于10%；在600～800℃时的屈服强度为1450MPa～400MPa。

Description

一种钛镍铝铌铪高温合金材料

技术领域

本发明涉及一种Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料，通过在钛镍合金中添加Al、Nb、Hf元素来提高钛镍合金的室温屈服强度、高温力学性能和持久性能的一种新型高温合金材料。

背景技术

目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，应用在600℃以上的金属结构材料通常为镍基、铁基和钴基高温合金。这些材料具有较高的密度(一般在8.0g/cm³以上)，所制成的构件和设备重量大，为了减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，必须开发低密度、高强度的新型高温合金以适应相关工业领域未来发展的需要。

二元TiNi合金是一种具有优良力学性能、良好的耐蚀性和生物相容性的金属间化合物，作为形状记忆合金功能材料已经在医学、工业和生活等领域得到广泛的应用。这种合金的密度为6.3g/cm³左右，比镍基、铁基和钴基高温合金低20％左右。

在TiNi合金基础上，通过添加Al元素可以显著提高合金的室温和高温强度，具有在航空航天领域应用的潜力。Nb元素的添加可以提高合金室温、高温力学性能和高温抗氧化性能。

在TiNiAlNb合金的基础上添加一定量的Hf，不仅可以进一步提高合金的室温和高温强度，而且可以明显提高合金的持久性能，开发出新型的低密度、高强度高温合金替代传统高温合金，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。

发明内容

本发明的目的是提出一种低密度、高比强度TiNiAlNbHf高温合金材料，该TiNiAlNbHf高温合金作为结构材料在高温使用，可以替代传统的高密度镍基、铁基和钴基高温合金材料，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。

本发明的一种钛镍铝铌铪高温合金材料，由37at％～52at％的钛(Ti)、45at％～50at％的镍(Ni)、1at％～6at％的铝(Al)、1at％～3at％的铌(Nb)和1at％～4at％的铪(Hf)组成。

所述的钛镍铝铌高温合金材料组份为Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃、Ti₃₇Ni₅₀AL₆Nb₃Hf₄或者Ti₄₆Ni₄₆Al₄Nb₂Hf₂。

所述的Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料，具有良好的持久性能和优异的抗氧化性能；在20℃时的屈服强度为1200MPa～2400MPa，变形率大于10％；在600℃～800℃时的屈服强度为1450MPa～400MPa。

制备本发明的Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料的步骤有：

(1)按Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4配比称取纯度为99.9％的钛(Ti)、纯度为99.9％的镍(Ni)、纯度为99.9％的铝(Al)、纯度为99.9％的铌(Nb)和纯度为99.9％的铪(Hf)；

(2)将上述称取的原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2700℃～3000℃熔炼成TiNiAlNbHf高温合金锭材；

(3)将上述制得的TiNiAlNbHf高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，热处理温度850℃～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料。

本发明Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料的优点：(1)在TiNiAlNb合金基础上，通过添加高纯度Hf元素来提高合金的室温、高温力学性能以及高温持久性能，这类合金具有优异的持久性能；在20℃时的屈服强度为1200～2400MPa，变形率大于10％；在600℃～800℃时的屈服强度为1450MPa～400MPa。在600℃～800℃、静态空气中100小时氧化增重为0.005mg/cm²～4.50mg/cm²；600℃/400MPa下持久寿命≥110h，700℃/350MPa下持久寿命≥80h；(2)该TiNiAlNbHf高温合金材料与具有相同Al、Nb原子百分比的TiNiAlNb高温合金相比，具有更好的室温、高温力学性能，在600℃～700℃具有更优异的持久性能。

附图说明

图1是Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃圆柱试样在温度20℃、600℃、650℃、700℃和800℃下的压缩试验结果曲线图。

图2是Ti₃₇Ni₅₀Al₆Nb₃Hf₄圆柱试样在温度650℃、800℃下的压缩试验结果曲线图。

图3是Ti₄₆Ni₄₆Al₄Nb₂Hf₂圆柱试样在温度600℃、800℃下的压缩试验结果曲线图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料，由37at％～52at％的钛(Ti)、45at％～50at％的镍(Ni)、1at％～6at％的铝(Al)、1at％～3at％的铌(Nb)和1at％～4at％的铪(Hf)组成。

本发明Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料的制备方法和步骤如下：

(1)按Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4配比称取纯度为99.9％的钛、纯度为99.9％的镍、纯度为99.9％的铝、纯度为99.9％的铌和纯度为99.9％的铪；

(2)将上述称取的原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2700℃～3000℃熔炼成TiNiAlNbHf高温合金锭材；

(3)将上述制得的TiNiAlNbHf高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，热处理温度850℃～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料。

采用线切割方法，在上述制得的Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料中切取直径d＝6mm，高度h＝9mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用MTS-880型万能材料实验机进行压缩压力-应变测试，压缩应变速率为0.2mm/min，温度范围为20℃～800℃之间选定的温度点。采用线切割方法切取长L＝10mm，宽W＝5mm，高H＝5mm的长方体样品作为抗高温氧化性能测试样品，测量样品的质量M₁，在600℃～800℃之间选定温度点，将样品置于该温度的静态空气中保持100小时后，测量样品的质量M₂，运用公式：X＝(M₂-M₁)÷2(L×W+H×L+W×H)计算合金的单位表面积氧化增重X，采用精确度为10^-4g的电子天平测量样品的质量，使用精确度为10^-2mm的游标卡尺测量样品的尺寸。制备标准持久试样，采用SANS测试合金在600℃/400MPa，700℃/350MPa时的持久寿命。经测试Ti_37～52Ni_{45～ 50}Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料在不同温度条件下的各性能参数如表1，表2所示：

表1本发明合金的压缩力学性能及抗氧化性能

测试温度(℃)	屈服强度(MPa)	变形率(％)	氧化增重(mg/cm<sup>2</sup>)
				20	1200～2400	10～30	-
600	800～1450	-	0.005～0.01
				650	600～1350	-	0.005～0.01
700	500～1000	-	0.03～1.00
				800	400～800	-	1.00～4.50

表2本发明合金的高温持久性能

测试温度(℃)	实验应力(MPa)	持久时间(h)
			600	400	≥110
700	350	≥80

本发明的Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料比TiNiAl合金材料具有更高的屈服强度、抗高温氧化能力和持久性能，优化了TiNiAl基合金的性能。该Ti_{37～ 52}Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料与具有相同Al、Nb原子百分比的TiNiAlNb高温合金相比，具有优异的持久性能、更好的屈服强度，在600℃～800℃具有更高的抗氧化性能。

实施例1：制Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃高温合金材料

(1)称取41at％纯度为99.9％的钛、49at％纯度为99.9％的镍、5at％纯度为99.9％的铝、2at％纯度为99.9％的铌和3at％纯度为99.9％的铪；

(2)将上述钛、镍、铝、铌和铪原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2800℃熔炼成Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃高温合金锭材；

(3)将上述制得的Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10^-3Pa，热处理温度1000℃下保温24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃高温合金材料。

采用线切割方法，在上述制得的Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃高温合金材料中切取直径d＝6mm，高度h＝9mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用MTS-880型万能材料实验机进行压缩压力-应变测试，压缩应变速率为0.2mm/min，在600℃下测得屈服强度为1250MPa，在650℃下测得屈服强度为950MPa。采用线切割方法切取长L＝10mm，宽W＝5mm，高H＝5mm的长方体样品作为抗高温氧化性能测试样品，将样品置于600℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.005mg/cm²；将样品置于650℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.006mg/cm²。制备标准持久试样，采用SANS测得合金在600℃/400MPa的持久寿命不低于130h，700℃/350MPa时的持久寿命不低于90h。图1示出Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃高温合金材料在20℃、600℃、650℃、700℃和800℃温度下的压缩试验结果。本发明的Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃高温合金材料在800℃时的屈服强度最低，而在600℃～800℃之间屈服强度为较佳状态。该Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃高温合金材料与具有相同Al、Nb原子百分比的Ti₄₅Ni₄₇Al₆Nb₂高温合金相比，具有优异的持久性能，更高的屈服强度，在600℃～800℃具有更好的抗氧化性能。

实施例2：制Ti₃₇Ni₅₀Al₆Nb₃Hf₄高温合金材料

(1)称取37at％纯度为99.9％的钛、50at％纯度为99.9％的镍、6at％纯度为99.9％的铝、3at％纯度为99.9％的铌和4at％纯度为99.9％的铪；

(2)将上述钛、镍、铝、铌和铪原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在3000℃熔炼成Ti₃₇Ni₅₀Al₆Nb₃Hf₄高温合金锭材；

(3)将上述制得的Ti₃₇Ni₅₀Al₆Nb₃Hf₄高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度5×10^-3Pa，热处理温度850℃下保温20小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti₃₇Ni₅₀Al₆Nb₃Hf₄高温合金材料。

采用与实施例1相同的测试方法测试性能，参见图2所示，图中，在650℃下测得屈服强度为1150MPa；在800℃下测得屈服强度为750MPa。采用线切割方法切取长L＝10mm，宽W＝5mm，高H＝5mm的长方体样品作为抗高温氧化性能测试样品，将样品置于800℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为1.03mg/cm²。

实施例3：制Ti₄₆Ni₄₆Al₄Nb₂Hf₂高温合金材料

(1)称取46at％纯度为99.9％的钛、46at％纯度为99.9％的镍、4at％纯度为99.9％的铝、2at％纯度为99.9％的铌和2at％纯度为99.9％的铪；

(2)将上述称取的钛、镍、铝、铌和铪原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2700℃熔炼成Ti₄₆Ni₄₆Al₄Nb₂Hf₂高温合金锭材；

(3)将上述制得的Ti₄₆Ni₄₆Al₄Nb₂Hf₂高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度3×10^-3Pa，热处理温度1000℃下保温17小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti₄₆Ni₄₆Al₄Nb₂Hf₂高温合金材料。

采用与实施例1相同的测试方法测试性能，参见图3所示，图中，在600℃下测得屈服强度为1100MPa；在800℃下测得屈服强度为460MPa。

本发明Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料是在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al、Nb、Hf元素来提高合金的室温屈服强度和高温力学性能，这类合金具有优异的持久性能，室温屈服强度为1200～2400MPa，变形率(塑性)大于10％；在600℃～800℃时的屈服强度为1450MPa～400MPa，在600℃～800℃之间具有良好的力学性能和抗高温氧化性能。

Claims (7)

1、一种钛镍铝铌铪高温合金材料，其特征在于：由37at％～52at％的钛Ti、45at％～50at％的镍Ni、1at％6at％的铝Al、1at％～3at％的铌Nb和1at％4at％的铪Hf组成。

2、根据权利要求1所述的钛镍铝铌铪高温合金材料，其特征在于：钛镍铝铌铪高温合金材料为Ti₄₁Ni₄₉Al₅Nb₂Hf₃。

3、根据权利要求1所述的钛镍铝铌铪高温合金材料，其特征在于：钛镍铝铌铪高温合金材料为Ti₃₇Ni₅₀Al₆Nb₃Hf₄。

4、根据权利要求1所述的钛镍铝铌铪高温合金材料，其特征在于：钛镍铝铌铪高温合金材料为Ti₄₆Ni₄₆Al₄Nb₂Hf₂。

5、根据权利要求1所述的钛镍铝铌铪高温合金材料，其特征在于：该合金材料在20℃时的屈服强度为1200～2400MPa，变形率大于10％；在600800℃时的屈服强度为1450～400MPa。

6、根据权利要求1所述的钛镍铝铌铪高温合金材料，其特征在于：该合金材料在600800℃、静态空气中100小时氧化增重为0.005～4.50mg/cm²。

7、制备如权利要求1所述的钛镍铝铌铪高温合金材料的方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)按Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4配比称取纯度为99.9％的钛Ti、纯度为99.9％的镍Ni、纯度为99.9％的铝Al、纯度为99.9％的铌Nb和纯度为99.9％的铪Hf；

(2)将上述称取的原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10^-3～5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2700～3000℃熔炼成TiNiAlNbHf锭材；

(3)将上述制得的TiNiAlNbHf锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10^-3～5×10^-3Pa，热处理温度850～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti_37～52Ni_45～50Al_1～6Nb_1～3Hf_1～4高温合金材料。

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