CN101139674A - 一种钛镍铝铌锆高温合金材料 - Google Patents

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CN101139674A CNA2007101755047A CN200710175504A CN101139674A CN 101139674 A CN101139674 A CN 101139674A CN A2007101755047 A CNA2007101755047 A CN A2007101755047A CN 200710175504 A CN200710175504 A CN 200710175504A CN 101139674 A CN101139674 A CN 101139674A
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于开元
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宋晓云
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Abstract

本发明公开了一种钛镍铝铌锆高温合金材料，该合金材料由35at％～54at％的钛(Ti)、43at％～49at％的镍(Ni)、1at％～6at％的铝(Al)和1at％～4at％的铌(Nb)、1at％～6at％的锆(Zr)组成。该合金材料在18℃时的屈服强度为1100～1700MPa，变形率大于10％；在600～800℃时的屈服强度为1100～250MPa；冲击韧性90～150J·cm－1；800℃时效24小时获得弥散分布的第二相组织Ti2Ni；该钛镍铝铌锆高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm3。

Description

一种钛镍铝铌锆高温合金材料
技术领域
本发明涉及一种Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料，通过在钛镍合金中添加Al、Nb、Zr元素，来提高钛镍合金的室温屈服强度和高温力学性能的，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，比镍基、铁基和钴基高温合金低20％左右。
为了提高TiNi合金的力学性能，在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al元素得到低密度的TiNiAl合金来提高室温和高温屈服强度，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。
为了提高TiNiAl合金的高温力学性能，添加了Nb元素以提高合金的抗氧化性，开发出高温抗氧化的高温合金，以达到实际应用目的。
为了进一步提高TiNiAlNb合金室温和高温力学性能并降低能耗，添加Zr元素以提高冲击韧性从而降低合金的缺口敏感性并简化热处理工艺，开发出高性能低能耗的合金。
发明内容
本发明的目的是提出一种低密度、高比强度Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料，该高温合金可以作为结构材料在高温环境600～800℃下使用，用于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锆高温合金材料，由35at％～54at％的钛(Ti)、43at％～49at％的镍(Ni)、1at％～6at％的铝(Al)和1at％～4at％的铌(Nb)、1at％～6at％的锆(Zr)组成。
所述的钛镍铝铌锆高温合金材料组份为Ti42Ni48Al4Nb2Zr4、Ti46Ni44Al4Nb2Zr4或者Ti44Ni48Al3Nb3Zr2。
所述的钛镍铝铌锆高温合金材料的密度为5.20～6.30g/cm3；其在18℃时的屈服强度为1100～1700MPa，变形率大于10％；在600～800℃时的屈服强度为1100～250MPa；800℃时效24小时即可获得弥散分布的第二相组织Ti2Ni。该合金材料的冲击韧性90～150J·cm-1。
本发明的一种钛镍铝铌锆高温合金材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)按Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6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)、纯度为99.9％的锆(Zr)；
(2)将上述称取的钛、镍、铝、铌和锆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TiNiAlNbZr锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlNbZr锭材密封在真空石英管中后置于热处理炉内热处理，在真空度2×10-3～5×10-3Pa，均匀化处理温度850～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料。
本发明Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料的优点：(1)在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al、Nb和Zr元素来提高合金的室温屈服强度和高温力学性能以及抗高温氧化性，降低缺口敏感性并改善热处理工艺。该合金材料在18℃时的屈服强度为1100～1700MPa，变形率大于10％；在600～800℃时的屈服强度为1100～250MPa；冲击韧性90～150J·cm-1；该钛镍铝铌锆高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm3。
(2)该Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6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，具有更高的冲击韧性和更为便捷的热处理工艺。
附图说明
图1是Ti42Ni48Al4Nb2Zr4圆柱试样在18℃、600℃、700℃和800℃时的压缩试验结果曲线图。
图1A是Ti42Ni48Al4Nb2Zr4合金材料的SEM背散射图片。
图2是Ti46Ni44Al4Nb2Zr4圆柱试样在18℃、600℃、700℃和800℃时的压缩试验结果曲线图。
图3是Ti44Ni48Al3Nb3Zr2圆柱试样在18℃、600℃、700℃和800℃时的压缩试验结果曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料，由35at％～54at％的钛(Ti)、43at％～49at％的镍(Ni)、1at％～6at％的铝(Al)和1at％～4at％的铌(Nb)、1at％～6at％的锆(Zr)组成。
本发明Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料的制备方法和步骤如下：
(1)按Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6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％的锆；
(2)将上述钛、镍、铝、铌和锆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TiNiAlNbZr锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlNbZr锭材密封在真空石英管中后置于热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3～5×10-3Pa，均匀化处理温度850～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料。
本发明的Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料比二元TiNi合金材料的密度小，其屈服强度、变形率、抗高温氧化能力强，冲击韧性高，热处理工艺便捷，有效地减轻了结构重量，提高了效率，降低了能源消耗，扩展了TiNi基合金材料的使用范围。该TiNiAlNbZr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，具有更高的冲击韧性和更为便捷的热处理工艺。
实施例1：制Ti42Ni48Al4Nb2Zr4高温合金材料
(1)称取42at％纯度为99.9％的钛、48at％纯度为99.9％的镍、4at％纯度为99.9％的铝、2at％纯度为99.9％的铌和4at％纯度为99.9％的锆；
(2)将上述钛、镍、铝、铌和锆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TiNiAlNbZr高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlNbZr高温合金锭材密封在真空石英管中后置于热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa，均匀化处理温度1000℃下保温24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti42Ni48Al4Nb2Zr4高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的Ti42Ni48Al4Nb2Zr4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0.02mm/min，参见图1所示，在600℃时测得屈服强度为1180MPa；在700℃时测得屈服强度为803MPa；在800℃时测得屈服强度为400MPa。本发明的Ti42Ni48Al4Nb2Zr4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。本发明的Ti42Ni48Al4Nb2Zr4高温合金材料在18℃时采用夏氏冲击方法测试其冲击韧性，冲击吸收功为150J·cm-1，密度为5.30g/cm3。时效温度为800℃，24小时。该Ti42Ni48Al4Nb2Zr4高温合金材料该TiNiAlNbZr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，具有更高的冲击韧性和更为便捷的热处理工艺。
实施例2：制Ti46Ni44Al4Nb2Zr4高温合金材料
(1)称取46at％纯度为99.9％的钛、44at％纯度为99.9％的镍、4at％纯度为99.9％的铝、2at％纯度为99.9％的铌和4at％纯度为99.9％的锆；
(2)将上述钛、镍、铝、铌和锆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TiNiAlNbZr锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlNbZr锭材密封在真空石英管中后置于热处理炉内进行热处理，在真空度5×10-3Pa，均匀化处理温度850℃下保温18小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti46Ni44Al4Nb2Zr4高温合金材料。
对本发明制得的Ti46Ni44Al4Nb2Zr4高温合金材料在18℃时采用夏氏冲击方法测试其冲击韧性，冲击吸收功为110J·cm-1。
Ti46Ni44Al4Nb2Zr4高温合金材料的密度为6.05g/cm3。
测试方法与实施例1相同，参见图2所示，图中，在18℃时的屈服强度为1205MPa，变形率13％；在600℃时屈服强度1070MPa；在700℃时屈服强度585MPa；在800℃时屈服强度285MPa。本发明高温合金材料在800℃时的屈服强度最低，而在600℃～800℃之间屈服强度为较佳状态。
实施例3：制Ti44Ni48Al3Nb3Zr2高温合金材料
(1)称取44at％纯度为99.9％的钛、48at％纯度为99.9％的镍、3at％纯度为99.9％的铝、3at％纯度为99.9％的铌和2at％纯度为99.9％的锆；
(2)将上述钛、镍、铝、铌和锆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TiNiAlNbZr锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlNbZr锭材密封在真空石英管中后置于热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa，均匀化处理温度1000℃下保温24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti42Ni48Al4Nb2Zr4高温合金材料。
对本发明制得的Ti42Ni48Al4Nb2Zr4高温合金材料在18℃时采用夏氏冲击方法测试其冲击韧性，冲击吸收功为122J·cm-1。
Ti42Ni48Al4Nb2Zr4高温合金材料的密度为5.70g/cm3。
测试方法与实施例1相同，参见图3所示，图中，在18℃时的屈服强度为1250MPa，变形率17％；在600℃时屈服强度910MPa；在700℃时屈服强度580MPa；在800℃时屈服强度300MPa。
本发明Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料是在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al、Nb和Zr元素来提高合金的室温屈服强度和高温力学性能以及抗高温氧化性，降低缺口敏感性并改善热处理工艺。该合金材料在18℃时的屈服强度为1100～1700MPa，变形率大于10％；在600～800℃时的屈服强度为1100～250MPa；冲击韧性90～150J·cm-1；该钛镍铝铌锆高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm3。该Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6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，具有更高的冲击韧性和更为便捷的热处理工艺。

Claims (8)

1.一种钛镍铝铌锆高温合金材料，其特征在于：由35at％～54at％的钛(Ti)、43at％～49at％的镍(Ni)、1at％～6at％的铝(Al)和1at％～4at％的铌(Nb)、1at％～6at％的锆(Zr)组成。
2.根据权利要求1所述的钛镍铝铌锆高温合金材料，其特征在于：钛镍铝铌锆高温合金材料为Ti42Ni48Al4Nb2Zr4。
3.根据权利要求1所述的钛镍铝铌锆高温合金材料，其特征在于：钛镍铝铌锆高温合金材料为Ti46Ni44Al4Nb2Zr4。
4.根据权利要求1所述的钛镍铝铌锆高温合金材料，其特征在于：钛镍铝铌锆高温合金材料为Ti44Ni48Al3Nb3Zr2。
5.根据权利要求1所述的钛镍铝铌锆高温合金材料，其特征在于：该合金材料的密度为5.20～6.30g/cm3；在18℃时的屈服强度为1100～1700MPa，变形率大于10％；在600～800℃时的屈服强度为1100～250MPa。
6.根据权利要求1所述的钛镍铝铌锆高温合金材料，其特征在于：该合金材料800℃时效24小时即可获得弥散分布的第二相组织Ti2Ni。
7.根据权利要求1所述的钛镍铝铌锆高温合金材料，其特征在于：该合金材料的冲击韧性90～150J·cm-1。
8.一种制备如权利要求1所述的钛镍铝铌锆高温合金材料的方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)按Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6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％的锆(Zr)；
(2)将上述称取的钛、镍、铝、铌和锆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TiNiAlNbZr锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlNbZr锭材密封在真空石英管中后置于热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3～5×10-3Pa，均匀化处理温度850～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti35～54Ni43～49Al1～6Nb1～4Zr1～6高温合金材料。
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