CN101314826B - 一种钛镍铝稀土高温合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛镍铝稀土高温合金材料，该钛镍铝稀土高温合金材料由35at％～65钛at％的、35at％～50at％的镍、1at％～14at％的铝和0.001at％～1at％的稀土元素组成，并且上述各成分的含量之和为100％；所述稀土元素是镧、铈、镨、钕、钐、铽、镝、钇或者钪元素之一。该合金材料在18℃时屈服强度为1000～1800MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1250～350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加；在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能；密度为5.20～6.30g/cm3。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛镍铝稀土高温合金材料，通过在钛镍合金中添加Al、RE元素来提高钛镍合金的室温屈服强度、室温塑性、高温力学性能和疲劳极限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。
为了进一步提高TiNiAl合金室温和高温力学性能，本发明通过添加稀土(RE)元素以细化晶粒，提高室温塑性和疲劳极限，增加疲劳稳定性。
发明内容
本发明的目的是提出一种低密度、高比强度TiNiAlRE高温合金材料，该TiNiAlRE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稀土高温合金材料，由35at％～65钛(Ti)at％的、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～14at％的铝(Al)和0.001at％～1at％的稀土(RE)元素组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
所述稀土(RE)元素可以是镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铽(Tb)、镝(Dy)、钇(Y)或者钪(Sc)元素之一。
所述的钛镍铝稀土高温合金材料，在18℃时屈服强度为1000～1800MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1250～350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加。
所述的钛镍铝稀土高温合金材料，在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能。
所述的钛镍铝稀土高温合金材料的密度为5.20～6.30g/cm3。
本发明的一种钛镍铝稀土高温合金材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)按配比称取纯度为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％的稀土(RE)；
(2)将上述称取的钛、镍、铝和稀土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2800℃～3200℃熔炼成TiNiAlRE高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlRE高温合金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2～5×10-3Pa，均匀化处理温度900℃～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti35～65Ni35～50Al1～14RE0.001～1高温合金材料。
本发明钛镍铝稀土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和RE元素来提高合金的室温屈服强度、室温塑性、高温力学性能和疲劳极限。该合金材料在18℃时屈服强度为1000～1800MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1250～350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加；在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能。该钛镍铝稀土高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm3。
(2)该TiNiAlRE高温合金材料与具有相同原子百分比的TiNiAl高温合金相比，具有更高的变形率和疲劳极限。
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。
本发明是一种钛镍铝稀土高温合金材料，由35at％～65钛(Ti)at％的、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～14at％的铝(Al)和0.001at％～1at％的稀土(RE)组成并且上述各成分的含量之和为100％。所述稀土(RE)元素可以是镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铽(Tb)、镝(Dy)、钇(Y)或者钪(Sc)元素之一。
本发明制备钛镍铝稀土高温合金材料的方法有下列步骤：
(1)按配比称取纯度为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％的稀土(RE)；
所述稀土(RE)元素可以是镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铽(Tb)、镝(Dy)、钇(Y)或者钪(Sc)元素之一；
(2)将上述称取的钛、镍、铝和稀土原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2800℃～3200℃熔炼成钛镍铝稀土高温合金锭材；
(3)将上述制得的钛镍铝稀土高温合金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2～5×10-3Pa，均匀化处理温度900℃～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的钛镍铝稀土高温合金材料。
本发明的Ti35～65Ni35～50Al1～14RE0.001～1高温合金材料比二元TiNi合金材料的密度小，其屈服强度大，晶粒细小，变形率高，抗疲劳极限强，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TiNiAlRE高温合金材料与具有相同原子百分比的TiNiAl高温合金相比，具有更高的变形率和疲劳极限。
实施例1：制Ti43.9Ni50Al6Dy0.1高温合金材料
(1)称取43.9at％纯度为99.9％的钛、50at％纯度为99.9％的镍、6at％纯度为99.9％的铝和0.1at％纯度为99.9％的镝；
纯度选用质量百分比数。
(2)将上述钛、镍、铝和镝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TiNiAlDy高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlDy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Ti43.9Ni50Al6Dy0.1高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的Ti43.9Ni50Al6Dy0.1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，在600℃下测得屈服强度和变形率分别为1080MPa和34％，在700℃下测得屈服强度和变形率分别为440MPa和35％，本发明的Ti43.9Ni50Al6Dy0.1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Ti43.9Ni50Al6Dy0.1高温合金材料在应力强度因子K1＝1，应力比r＝-1，置信度90％和存活率50％进行600℃旋转弯曲疲劳试验，结果表明107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能。该TiNiAlDy高温合金材料与具有相同原子百分比的TiNiAl高温合金相比，具有更高的变形率和疲劳极限。
实施例2：制Ti49.7Ni42Al8La0.3高温合金材料
(1)称取49.7at％纯度为99.9％的钛、42at％纯度为99.9％的镍、8at％纯度为99.9％的铝和0.3at％纯度为99.9％的镧；
纯度选用质量百分比数。
(2)将上述钛、镍、铝和镧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2900℃熔炼成TiNiAlLa高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlLa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3×10-3Pa，均匀化处理温度950℃下保温17小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti49.7Ni42Al8La0.3高温合金材料。
将上述制得的Ti49.7Ni42Al8La0.3高温合金材料采用与实施例1相同的性能测试方法测得：Ti49.7Ni42Al8La0.3高温合金的密度为6.2g/cm3。Ti49.7Ni42Al8La0.3高温合金在18℃时屈服强度为1400MPa，变形率大于15％；在高温600℃时屈服强度为1100MPa，在高温700℃时屈服强度为650MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加。Ti49.7Ni42Al8La0.3高温合金在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达650MPa，具有稳定的疲劳性能。
选取稀土元素为Ce、采用与实施例2相同的制备方法，制得Ti44.9Ni45Al10Ce0.1高温合金，Ti44.9Ni45Al10Ce0.1高温合金的密度为6.30g/cm3。Ti44.9Ni45Al10Ce0.1高温合金在18℃时屈服强度为1600MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1200～400MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加。Ti44.9Ni45Al10Ce0.1高温合金在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能。
实施例3：制Ti59.95Ni35Al6Pr0.05高温合金材料
(1)称取59.95at％纯度为99.9％的钛、35at％纯度为99.9％的镍、6at％纯度为99.9％的铝和0.05at％纯度为99.9％的镨；
纯度选用质量百分比数。
(2)将上述钛、镍、铝和镨原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至4×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在3000℃熔炼成TiNiAlPr高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlPr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4×10-3Pa，均匀化处理温度900℃下保温15小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti59.95Ni35Al6Pr0.05高温合金材料。
将上述制得的Ti59.95Ni35Al6Pr0.05高温合金采用与实施例1相同的性能测试方法测得：Ti59.95Ni35Al6Pr0.05高温合金的密度为5.98g/cm3。Ti59.95Ni35Al6Pr0.05高温合金在18℃时屈服强度为1300MPa，变形率大于15％；在高温600℃时屈服强度为1100MPa，在高温800℃时屈服强度为350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加。Ti59.95Ni35Al6Pr0.05高温合金在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达550MPa，具有稳定的疲劳性能。
选取稀土元素为Nd、采用与实施例3相同的制备方法，制得Ti59.995Ni36Al4Nd0.005高温合金，Ti59.995Ni36Al4Nd0.005高温合金的密度为6.12g/cm3。Ti59.995Ni36Al4Nd0.005高温合金在18℃时屈服强度为1200MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1050～350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加。Ti59.995Ni36Al4Nd0.005高温合金在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达500MPa，具有稳定的疲劳性能。
实施例4：制Ti49.9Ni40Al10Y0.1高温合金材料
(1)称取49.9at％纯度为99.9％的钛、40at％纯度为99.9％的镍、10at％纯度为99.9％的铝和0.1at％纯度为99.9％的钇；
纯度选用质量百分比数。
(2)将上述钛、镍、铝和钇原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至32×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2850℃熔炼成TiNiAlY高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlY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850℃下保温20小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti49.9Ni40Al10Y0.1高温合金材料。
将上述制得的Ti49.9Ni40Al10Y0.1高温合金采用与实施例1相同的性能测试方法测得：Ti49.9Ni40Al10Y0.1高温合金的密度为6.09g/cm3。Ti49.9Ni40Al10Y0.1高温合金在18℃时屈服强度为1800MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1250～450MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加。Ti49.9Ni40Al10Y0.1高温合金在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达650MPa，具有稳定的疲劳性能。
选取稀土元素为Sc、采用与实施例4相同的制备方法，制得Ti53.9Ni40Al6Sc0.1高温合金，Ti53.9Ni40Al6Sc0.1高温合金的密度为6.26g/cm3。Ti53.9Ni40Al6Sc0.1高温合金在18℃时屈服强度为1400MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1150～350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加。Ti53.9Ni40Al6Sc0.1高温合金在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达590MPa，具有稳定的疲劳性能。
实施例5：制Ti53Ni40Al6Dy1高温合金材料
(1)称取53at％纯度为99.9％的钛、40at％纯度为99.9％的镍、6at％纯度为99.9％的铝和1at％纯度为99.9％的镝；
(2)将上述钛、镍、铝和镝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TiNiAlDy高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlDy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Ti53Ni40Al6Dy1高温合金材料。
采用与实施例1相同的测试方法，制得的Ti53Ni40Al6Dy1高温合金的密度为6.11g/cm3。Ti53Ni40Al6Dy1高温合金在18℃时屈服强度为1500MPa，变形率大于15％；在高温600℃时屈服强度为1250Mpa，在高温800℃时屈服强度为370MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加。Ti53Ni40Al6Dy1高温合金在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能。
本发明TiNiAlRE高温合金材料是在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al和RE元素来提高合金的室温屈服强度、室温塑性、高温力学性能和疲劳极限。该合金材料在18℃时屈服强度为1000～1800MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1250～350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加；在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能。该钛镍铝稀土高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm3。该TiNiAlRE高温合金材料与具有相同原子百分比的TiNiAl高温合金相比，具有更高的变形率和疲劳极限。
Claims (7)
1.一种钛镍铝稀土高温合金材料，其特征在于：该钛镍铝稀土高温合金材料由35at％～65钛(Ti)at％的、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～14at％的铝(Al)和0.001at％～1at％的稀土(RE)元素组成，并且上述各成分的含量之和为100％；
所述稀土(RE)元素是镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铽(Tb)、镝(Dy)、钇(Y)或者钪(Sc)元素之一；
所述的钛镍铝稀土高温合金材料的密度为5.20～6.30g/cm3；
所述的钛镍铝稀土高温合金材料，在18℃时屈服强度为1000～1800MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1250～350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加；
所述的钛镍铝稀土高温合金材料，在107循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能。
2.根据权利要求1所述的钛镍铝稀土高温合金材料，其特征在于：是Ti43.9Ni50Al6Dy0.1高温合金材料、或者Ti53Ni40Al6Dy1高温合金材料。
3.根据权利要求1所述的钛镍铝稀土高温合金材料，其特征在于：是Ti59.95Ni35Al6Pr0.05高温合金材料。
4.根据权利要求1所述的钛镍铝稀土高温合金材料，其特征在于：是Ti49.9Ni40Al10Y0.1高温合金材料。
5.根据权利要求1所述的钛镍铝稀土高温合金材料，其特征在于：是Ti53.9Ni40Al6Sc0.1高温合金材料。
6.根据权利要求1所述的钛镍铝稀土高温合金材料，其特征在于：是Ti59.995Ni36AL4Nd0.005高温合金材料。
7.一种制备如权利要求1所述的钛镍铝稀土高温合金材料的方法，其特征在于有下列制备步骤：
(1)按配比称取纯度为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％的稀土(RE)元素；
所述稀土(RE)元素是镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铽(Tb)、镝(Dy)、钇(Y)或者钪(Sc)元素之一；
(2)将上述称取的钛、镍、铝和稀土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2800℃～3200℃熔炼成TiNiAlRE高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlRE高温合金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2×10-3Pa～5×10-3Pa，均匀化处理温度900℃～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti35～65Ni35～50Al1～14RE0.001～1高温合金材料。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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