CN101476061A - 一种耐高温钛铝基合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种耐高温钛铝基合金及其制备方法，合金属γ－TiAl合金，成分为：Al：44.0～48.0at％、Nb：3.0～5.0at％、Cr：0.2－2.0at％、Ni：0.1－0.8at％、Si：0－0.8at％、其余为Ti和不可避免的杂质元素；以海绵钛、AlNb合金、AlCr合金、Ni、Al及Si为原料，在真空自耗电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼并浇铸成型，浇铸时可以对钛铝合金铸锭进行真空熔炼后浇铸或进行充氩熔炼后浇铸。该合金具有良好的室温塑性、抗蠕变性能和抗氧化性能，能在800－900℃下使用，适合于薄壁零件的铸造，能提高航空发动机、汽车发动机的使用性能，具有巨大的市场前景。

Description

一种耐高温钛铝基合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温合金领域技术，特别是涉及一种耐高温钛铝基合金及其制备方法。

背景技术

随着航空、航天、汽车、舰船等发动机性能不断提高，对高温材料的性能提出了更高的要求，即更高的强度、抗氧化性能和更轻的密度等。γ-TiAl基合金材料具有良好的高温强度、蠕变抗力和抗氧化性能等优点，正在发展成为新一代航空发动机材料，可用于制造压气机、燃气涡轮机叶片，压气机定子挡风板，定子机座以及其他形状复杂的大尺寸铸造和锻造零件，以部分替代笨重的镍基高温合金可减重约50％。γ-TiAl基合金已用于制造汽车发动机的涡轮增压器、气阀等。目前，中国和世界各工业国家都在积极地开展研究，但已经实际应用的合金种类很少。

从钛铝合金材料的理论研究来看：当钛铝合金铸造过程中凝固路线为γ相凝固时，凝固后的钛铝合金多处于γ单相区，单相γ-TiAl的室温延伸率非常差，原因是单相γ-TiAl室温下很多位错不可动，而主要的滑移位错又被层错偶极子钉扎。而α₂+γ组织在延伸率和强度上明显优于单相γ-TiAl，原因是α₂吸收氧，从而降低了γ中的氧含量，利于位错滑移。

目前为止钛铝合金制备过程中α相凝固路线研究最多，其中Al％研究最多的是46-47at％。Ti-(46-47at％)Al钛铝合金材料的凝固路线为α相凝固，α相凝固路线如下：L(液相)→α相→α+γ→α₂+γ，室温下组织为α₂+γ。凝固过程中L相冷却时首先生成的α晶体形成明显的柱状晶组织，而后续形成的γ片层垂直于α相的柱状晶生长的方向，导致铸态组织具有明显的各向异性，铸件各部位性能差异明显。

为了解决α相凝固时钛铝合金的组织均匀性和性能较差的问题，可以在上述Al含量的γ-TiAl合金中添加适量的β稳定元素如Nb、Zr、Hf等，使Ti-Al合金相图中的β相区向右移动，实现β相凝固；或者调整Al含量的取值范围，使γ-TiAl合金中Al含量约为44at％或以下，以实现β相凝固，但如果Al含量过低则粗大的β相增加导致塑性很差。β相凝固路线如下：L(液相)→L+β→β→α+β→α→α+γ→α₂+γ，室温下组织为α₂+γ，如Ti-44Al-0.2B合金。但当γ-TiAl合金中含有一定含量的β稳定元素时，β相凝固路线为：L(液相)→L+β→β→α+β→α+βm→α+γ+βm→α₂+γ+βm，室温下组织为α₂+γ+βm(βm为亚稳β相)，如Ti-44Al-5Nb-0.2B合金。β相凝固过程中，由于β晶粒中可以形成12个完全不同方向的α变体，最终在每个β晶粒中得到取向完全不同的板条团，该组织各向异性很小，各部位力学性能基本一致。

在钛-铝二元合金相图上，当Al含量高于44at％左右时，γ-TiAl合金凝固过程中将发生包品反应L+β→α，凝固路线为：L(液相)→L+β→β+α→α→α+γ→α₂+γ或L→L+β→L+α→α→α+γ→α₂+γ。含包晶反应的钛铝合金凝固过程中，包晶反应发生在β相和液相界面处，当α相从液相处开始形核，如前所述将使铸态组织具有明显的各向异性；当α相从β相处开始形核，将得到取向完全不同的较粗大板条团，该组织各向异性很小。经国内外多年研究和测试，经过包晶反应的γ-TiAl合金可以在实际应用，但凝固后铸件成分的均匀性较经β相凝固的γ-TiAl合金要差。

专利US6051084指出Nb可以极大地改善钛铝合金的抗氧化性能，提高合金的高温强度及蠕变性能，当Nb含量为6～10％时合金均具有较好的抗氧化性能。Cr可以提高合金的延伸率，与其它β稳定元素相比不会降低Ti-Al-Nb合金的抗氧化性能。

中科院金属所R.Yang教授等，在《Alloy development and shell mould castingof gamma TiAl》(Joumal of materials processing technology[J]，2003，135：179-188)中研究了2at％Nb、5at％Nb、8at％Nb分别对γ-TiAl合金抗氧化性能和抗热疲劳性能的影响，得出Nb含量为5at％时抗氧化性能、抗热疲劳性能较8at％Nb时更好；当Nb含量为2at％时钛铝合金抗热疲劳性能最好。

专利US6294132指出Ni可以提高β相的蠕变抗力、增加合金内部的摩擦和提高抗震性能；Si可以提高钛铝合金的高温强度和蠕变强度，并可以提高合金的抗氧化性能。干勇、田志凌等在《中国材料工程大典(第2卷上)》(化学工业出版社，2006：817)中指出，适量的Si可以提高钛铝合金浇注的流动性并降低热裂敏感性，Ni可以增加材料的流动性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种耐高温钛铝基合金及其制备方法，该合金属于γ-TiAl合金，既有良好的室温塑性，又有良好的抗蠕变性能和抗氧化性能，能提高普通TiAl合金的使用温度，使钛铝合金能在800-900℃下使用；同时，该耐高温γ-TiAl合金材料具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的铸造。

为了达到解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：本发明的一种耐高温钛铝基合金，属于γ-TiAl合金，具体化学成分为：Al：44.0～48.0at％；Nb：3.0～5.0at％；Cr：0.2-2.0at％；Ni：0.1-0.8at％；Si：0-0.8at％；其余为Ti及不可避免的杂质元素。

上述的一种耐高温钛铝基合金，优选的组成可以是：Al可以优选46.0～47.0at％，更优选46.5at％；Nb可以优选3.5～4.5at％，更优选4.0at％；Cr可以优选0.5-1.5at％，更优选1.0at％；Ni可以优选0.2-0.6at％，更优选0.4at％；Si可以优选0.2-0.8at％，更优选0.5at％。

Nb可以极大地改善钛铝合金的抗氧化性能，提高合金的高温强度及蠕变性能，但随着Nb含量的增大，钛铝合金材料熔炼浇注过程中的流动性能会随之降低。因此，高Nb含量的钛铝合金不利于薄壁零件的浇注成型。本发明在高Nb钛铝合金的基础上适度降低Nb含量至3.0～5.0at％，在较普通钛铝合金具有更高抗氧化性能、高温强度及蠕变性能的同时，提高了钛铝合金铸造时的流动性能，在真空感应炉和真空自耗电弧炉熔炼浇铸时可以更好地成型钛铝合金薄壁件。同时，适度降低Nb含量可以降低钛铝合金材料的成本。

Cr可以提高钛铝合金的延伸率，与其它β稳定元素相比不会降低Ti-Al-Nb系合金的抗氧化性能，本专利材料中通过添加适量的Cr提高了钛铝零件的室温加工性能，但当Cr含量过高时会降低材料的塑性。通过添加适量的Ni有利于改善材料的蠕变性能、增加合金内部的摩擦和提高抗震性能，如果Ni过高会使材料的室温延伸率降低；添加适量的Si可以提高钛铝合金的蠕变强度和抗氧化性能，但当Si含量过高时材料的室温延伸率会降低。

考虑到B元素可以显著细化γ-TiAl合金的晶粒尺寸，但含B的TiAl合金铸造显微组织中易出现1mm以上的大晶粒，在需要承载较大应力的零件中，B化物常导致零件的过早断裂失效。因此，本专利中未添加晶粒细化元素B。

通过实验与分析钛铝合金中不同元素及含量对材料力学性能及铸造性能的影响，本发明的钛铝合金材料为Ti-(44～48at％)Al-(3～5at％)Nb-(0.2-2.0at％)Cr-(0.1-0.8at％)Ni-(0-0.8at％)Si。

本发明的一种耐高温钛铝基合金制备方法是：采用海绵钛或其它纯钛料、AlNb合金、AlCr合金、纯Ni、纯Al以及纯Si作为原料，或者其他能够使合金的最终组成符合比例要求的原料，在真空自耗电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼并浇铸成型，浇铸成型时可以对钛铝合金铸锭进行真空熔炼后浇铸或进行充氩熔炼后浇铸；所述真空熔炼后浇铸是指铸锭真空熔炼前需要预抽一定的真空，并待钛铝合金液体完全熔化后方可浇铸成型；所述充氩熔炼后浇铸工艺是指充氩熔炼前炉内需要预抽一定的真空度，之后充入氩气到一定压力后进行熔炼，并待钛铝合金液体完全熔化后方可浇铸成型。上述一种耐高温钛铝基合金制备方法，其感应炉熔炼钛铝合金铸锭时需要熔炼两次以上以保证材料的均匀性；真空自耗电极电弧凝壳炉浇铸用钛铝合金铸锭的制备方法为：首先挤压钛铝合金电极，之后在真空自耗电极电弧炉中熔炼成钛铝合金铸锭。

上述一种耐高温钛铝基合金的制备方法，具体优选的制备方法可以是预抽真空度在3.5Pa以下。

上述一种耐高温钛铝基合金的制备方法，具体优选的制备方法也可以是惰性保护气体是氩气，熔炼时的氩气压力在60000Pa以上。

原料根据具体工艺也可以选择其他原料，只要能够使合金的最终组成符合Al：44.0～48.0at％、Nb：3.0～5.0at％、Cr：0.2-2.0at％、Ni：0.1-0.8at％、Si：0-0.8at％、其余为Ti的比例要求即可。

本发明提供的一种耐高温钛铝基合金，提高了普通TiAl合金的使用温度，使钛铝合金能在800-900℃下使用，而且既有良好的室温塑性，又有良好的抗蠕变性能和抗氧化性能。同时，该耐高温γ-TiAl合金材料具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的铸造，特别是适合铸造高温下应用的轻型构件材料，如航空发动机、汽车发动机涡轮增压器中涡轮叶片等，能够提高航空发动机、汽车发动机的使用性能，具有巨大的市场前景。

具体实施方式

实施例1

制备过程中采用海绵钛、AlNb50合金、AlCr50合金、纯Ni、纯Al以及纯Si作为原料，配制钛铝合金Ti-46at％Al-4at％Nb-0.6at％Cr-0.2at％Ni-0.1Si。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次(每次熔炼前将铸锭方向对调)后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能为：抗拉强度为360Mpa，延伸率为0.80％；900℃高温性能：抗拉强度为340Mpa，延伸率为2.5％。

实施例2

制备过程中采用海绵钛、AlNb50合金、AlCr50合金、纯Ni、纯Al作为原料，配制钛铝合金Ti-44at％Al-5at％Nb-0.2at％Cr-0.8at％Ni。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺总共钛锭反复熔炼三次后(每次熔炼前将铸锭方向对调)浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能为：抗拉强度为400Mpa，延伸率为0.50％；900℃高温性能：抗拉强度为360Mpa，延伸率为3.0％。

实施例3：

制备过程中采用海绵钛、AlNb50合金、AlCr50合金、纯Ni、纯Al以及纯Si作为原料，配制钛铝合金Ti-48at％Al-3at％Nb-2at％Cr-0.1at％Ni-0.8Si。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺总共钛锭反复熔炼三次后(每次熔炼前将铸锭方向对调)浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能为：抗拉强度为340Mpa，延伸率为0.60％；900℃高温性能：抗拉强度为300Mpa，延伸率为2.0％。

Claims (6)

1、一种耐高温钛铝基合金，其特征在于：该合金属于γ-TiAl合金，具体化学成分为：Al：44.0～48.0at％、Nb：3.0～5.0at％、Cr：0.2-2.0at％、Ni：0.1-0.8at％、Si：0-0.8at％、其余为Ti及不可避免的杂质元素。

2、根据权利要求1所述一种耐高温钛铝基合金，其特征在于：所述合金具体化学成分为：Al：46.0～47.0at％、Nb：3.5～4.5at％、Cr：0.5-1.5at％、Ni：0.2-0.6at％、Si：0.2-0.8at％、其余为Ti及不可避免的杂质元素。

3、权利要求1所述一种耐高温钛铝基合金的制备方法，其特征在于：采用海绵钛或其它纯钛料、AlNb合金、AlCr合金、纯Ni、纯Al以及纯Si作为原料，或者其他能够使合金的最终组成符合比例要求的原料，在真空自耗电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼并浇铸成型，浇铸成型时可以对钛铝合金铸锭进行真空熔炼后浇铸或进行充氩熔炼后浇铸；所述真空熔炼后浇铸是指铸锭真空熔炼前需要预抽一定的真空，并待钛铝合金液体完全熔化后方可浇铸成型；所述充氩熔炼后浇铸工艺是指充氩熔炼前炉内需要预抽一定的真空度，之后充入氩气到一定压力后进行熔炼，并待钛铝合金液体完全熔化后方可浇铸成型。

4、根据权利要求3所述一种耐高温钛铝基合金的制备方法，其特征在于：所述感应炉熔炼钛铝合金铸锭时需要熔炼两次以上以保证材料的均匀性；所述真空自耗电极电弧凝壳炉浇铸用钛铝合金铸锭的制备方法为：首先挤压钛铝合金电极，之后在真空自耗电极电弧炉中熔炼成钛铝合金铸锭。

5、根据权利要求3所述一种耐高温钛铝基合金的制备方法，其特征在于：所述制备方法预抽真空度要求在3.5Pa以下。

6、根据权利要求3所述一种耐高温钛铝基合金的制备方法，其特征在于：所述惰性保护气体是氩气，熔炼时的氩气压力在60000Pa以上。