CN101880794A - 一种β型γ-TiAl合金及其制备方法 - Google Patents

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一种β型γ-TiAl合金及其制备方法，它涉及TiAl合金及其制备方法。解决现有TiAl基合金高温变形能力和抗氧化性能不足的问题。β型γ-TiAl合金按原子百分含量含41％～46％Al、9％V和Nb、0～0.3％Y和余量Ti，V和Nb的比值x＝0.5～5。制备方法：称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝钒中间合金和铝钇中间合金原料；将原料放入水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中熔炼即可。通过控制V和Nb的配比，得到具有良好高温变形能力和抗氧化性能的β型γ-TiAl合金，锻造后表面无开裂现象；经80h的800℃循环氧化增重为25mg/cm2，是Ti-43Al-9V-0.3Y合金抗氧化能力的十倍。制备方法简单。

Description

一种β型γ-TiAl合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种TiAl合金及其制备方法。
背景技术
TiAl基合金由于具有低密度、高弹性模量、高的比强度、高的高温强度、良好的抗蠕变能力以及优异的防腐蚀性能等，被认为是非常具有应用前景的轻质耐高温结构材料，可应用于航空航天、海洋船舶、医疗卫生等领域。然而，TiAl合金室温塑性低，高温变形能力差，热加工困难，750℃抗氧化能力不好等缺点限制其广泛应用。随着TiAl合金向着高温高性能方向发展，Nb元素变成了TiAl合金中必不可少的一种添加元素，它可以提高TiAl合金的强度和抗氧化性能。但是，随着Nb含量增加，TiAl合金的变形能力显著降低。V元素的添加可以大大提高TiAl合金的高温变形能力，然而过量的V元素对TiAl合金抗氧化性能不利。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有TiAl基合金高温变形能力和抗氧化性能不足的问题，本发明提供了一种β型γ-TiAl合金及其制备方法。
本发明的β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有41％～46％的Al、9％的V和Nb、0～0.3％的Y和余量的Ti，其中，V和Nb的原子百分含量的比值x＝0.5～5。
本发明的β型γ-TiAl合金的制备方法是通过以下步骤实现的：一、称取如下原料：海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝钒中间合金和铝钇中间合金；其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为41％～46％的Al、9％的V和Nb、0～0.3％的Y和余量的Ti，控制V和Nb的原子百分含量的比值为0.5～5；二、将步骤一称取的原料加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，然后以3～8kW/min增长速率将熔炼功率升高至200～400kW后停止增加熔炼功率，然后恒定熔炼功率1～20min得熔体；三、将熔体浇注至温度为200～600℃的金属铸型中，冷却至室温，得β型γ-TiAl合金。
本发明以V和Nb的原子总添加量为9at.％(原子百分含量)，同时添加适量的稀土Y元素(0～0.3at.％)，通过调节TiAl合金中所添加的V和Nb元素的原子百分含量之比x(x＝V/Nb，V和Nb原子百分含量之比)以及Al含量，采用水冷铜坩埚真空感应熔炼制备技术制备得到一种具有近层片组织结构的β型γ-TiAl合金，合金的名义成分为Ti-(41-46)Al-(9～9.3)(V，Nb，Y)(at.％)，主要含有γ-TiAl、α2-Ti3Al和β(B2)相。本发明中添加适量的Y元素可以显著细化TiAl合金的晶粒和层片间距，进而可以改善TiAl合金力学性能和高温变形能力。
本发明步骤一中海绵钛的质量纯度为99.7％，高纯铝的质量纯度99.99％，铝铌中间合金的质量纯度为99.2％，铝钒中间合金的质量纯度为99.2％，铝钇中间合金的质量纯度为99.5％；各原料为市售产品。
本发明通过控制V和Nb含量的合理配比(x＝0.5～5)，使得β型γ-TiAl合金不仅具有良好的高温变形能力，而且具有优异的抗氧化性能。本发明的β型γ-TiAl合金经锻造(锻造工艺为：锻造温度大于1150℃，变形速率＜0.01s-1)后合金表面质量良好，无开裂现象出现，具有良好的高温变性能力。本发明的β型γ-TiAl合金经80h的800℃循环氧化后的增重在25mg/cm2左右，而含V量高的Ti-43Al-9V-0.3Y合金经80h的800℃循环氧化后的增重在250mg/cm2，本发明的β型γ-TiAl合金800℃下的抗高温氧化能力是Ti-43Al-9V-0.3Y合金的10倍。
本发明解决了现有TiAl基合金高温变形能力和抗氧化性能不足的缺点，提供一种同时具有高温变性能力和抗氧化性能的β型γ-TiAl合金，同时制备方法简单，成本低，能够实现工业化生产，为实现TiAl基合金在航空航天的初步应用奠定坚实的基础。
附图说明
图1是具体实施方式一的β型γ-TiAl合金的X-射线衍射谱图；图2是具体实施方式二十三得到的β型γ-TiAl合金经锻造后试样的宏观形貌图；图3是具体实施方式二十三中作为对比的日本三菱重工制备的Ti-45Al-5Mn合金经锻造后锻饼的宏观形貌图；图4是具有良好高温变形能力的Ti-43Al-9V-0.3Y合金和具体实施方式二十三得到的β型γ-TiAl合金的800℃下循环氧化80h的氧化增重曲线图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有41％～46％的Al、9％的V和Nb、0～0.3％的Y和余量的Ti，其中，V和Nb的原子百分含量的比值x＝0.5～5。
本实施方式的β型γ-TiAl合金的名义化学成分为Ti-(41-46)Al-(9～9.3)(V，Nb，Y)(at.％)，主要含有γ-TiAl、α2-Ti3Al和β(B2)相。本发明中添加适量的Y元素可以显著细化TiAl合金的晶粒和层片间距，同时控制V和Nb含量的合理配比(x＝0.5～5)，使得β型γ-TiAl合金具有良好的力学性能和高温变形能力。
本实施方式的β型γ-TiAl合金中Nb的原子百分含量为1.5％～6％，则V的原子百分含量即为9％-Nb％(Nb的原子百分含量)。
本实施方式的β型γ-TiAl合金的X-射线衍射谱图如图1所示，由图1所示，β型γ-TiAl合金的相组成为γ-TiAl(图中“■”标记)、α2-Ti3Al(图中“○”标记)和β(B2)相(图中“●”标记)三相。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有41％～46％的Al、9％的V和Nb，以及余量的Ti。其它参数与具体实施方式一相同。
本实施方式的β型γ-TiAl合金的名义化学成分为Ti-(41～46)Al-9(V，Nb)(at.％)。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有43％～46％的Al、9％的V和Nb，以及余量的Ti。其它参数与具体实施方式一相同。
本实施方式的β型γ-TiAl合金的名义化学成分为Ti-(43～46)Al-9(V，Nb)(at.％)。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有45％的Al、9％的V和Nb，以及余量的Ti。其它参数与具体实施方式一相同。
本实施方式的β型γ-TiAl合金的名义化学成分为Ti-45Al-9(V，Nb)(at.％)。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有43％～46％的Al、9％的V和Nb、0.1～0.3％的Y和余量的Ti。其它参数与具体实施方式一相同。
本实施方式的β型γ-TiAl合金的名义化学成分为Ti-(43～46)Al-9(V，Nb)-(0.1～0.3)Y(at.％)。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有45％的Al、9％的V和Nb、0.3％的Y和余量的Ti。其它参数与具体实施方式一相同。
本实施方式的β型γ-TiAl合金的名义化学成分为Ti-45Al-9(V，Nb)-0.3Y(at.％)。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是V和Nb的原子百分含量的比值x＝1～3。其它参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是V和Nb的原子百分含量的比值x＝1.25。其它参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式九：本实施方式如具体实施方式一所述的不同的是β型γ-TiAl合金的制备方法，是通过以下步骤实现的：一、称取如下原料：海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝钒中间合金和铝钇中间合金；其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为41％～46％的Al、9％的V和Nb、0～0.3％的Y和余量的Ti，控制V和Nb的原子百分含量的比值为0.5～5；二、将步骤一称取的原料加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，然后以3～8kW/min增长速率将熔炼功率升高至200～400kW后停止增加熔炼功率，然后恒定熔炼功率1～20min得熔体；三、将熔体浇注至温度为200～600℃的金属铸型中，冷却至室温，得β型γ-TiAl合金。
本实施方式步骤一中的各原料均为市售产品。
本实施方式的制备方法简单，成本低，能够实现工业化生产，制备得到了同时具有高温变性能力和抗氧化性能的β型γ-TiAl合金，为实现TiAl基合金在航空航天的初步应用奠定坚实的基础。
本实施方式制备得到的β型γ-TiAl合金的X-射线衍射谱图与图1一致，β型γ-TiAl合金的相组成为γ-TiAl、α2-Ti3Al和β(B2)相三相。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤一中海绵钛的质量纯度为99.7％，高纯铝的质量纯度99.99％，铝铌中间合金的质量纯度为99.2％，铝钒中间合金的质量纯度为99.2％，铝钇中间合金的质量纯度为99.5％。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九或十不同的是步骤一中其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为41％～46％的Al、9％的V和Nb，以及余量的Ti。其它步骤及参数与具体实施方式九或十相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式九或十不同的是步骤一中其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为43％～46％的Al、9％的V和Nb，以及余量的Ti。其它步骤及参数与具体实施方式九或十相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式九或十不同的是步骤一中其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为45％的Al、9％的V和Nb，以及余量的Ti。其它步骤及参数与具体实施方式九或十相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式九或十不同的是步骤一中其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为43％～46％的Al、9％的V和Nb、0.1～0.3％的Y和余量的Ti。其它步骤及参数与具体实施方式九或十相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式九或十不同的是步骤一中其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为45％的Al、9％的V和Nb、0.3％的Y和余量的Ti。其它步骤及参数与具体实施方式九或十相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式九至十四之一不同的是步骤一中控制V和Nb的原子百分含量的比值为1～3。其它步骤及参数与具体实施方式九至十四之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式九至十四之一不同的是步骤一中控制V和Nb的原子百分含量的比值为1.25。其它步骤及参数与具体实施方式九至十四之一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式九至十六之一不同的是步骤二中然后以4～6kW/min增长速率将熔炼功率升高至280～360kW后停止增加熔炼功率。其它步骤及参数与具体实施方式九至十六之一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式九至十六之一不同的是步骤二中然后以5kW/min增长速率将熔炼功率升高至340kW后停止增加熔炼功率。其它步骤及参数与具体实施方式九至十六之一相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式九至十八之一不同的是步骤二中然后恒定熔炼功率5～15min得熔体。其它步骤及参数与具体实施方式九至十八之一相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式九至十八之一不同的是步骤二中然后恒定熔炼功率10min得熔体。其它步骤及参数与具体实施方式九至十八之一相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式九至二十之一不同的是步骤三中将熔体浇注至温度为300～500℃的金属铸型中。其它步骤及参数与具体实施方式九至二十之一相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式九至二十之一不同的是步骤三中将熔体浇注至温度为400℃的金属铸型中。其它步骤及参数与具体实施方式九至二十之一相同。
具体实施方式二十三：本实施方式β型γ-TiAl合金的制备方法是通过以下步骤实现的：一、称取如下原料：海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝钒中间合金和铝钇中间合金；其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为45％的Al、9％的V和Nb、0.3％的Y和余量的Ti，控制V和Nb的原子百分含量的比值为1.25；二、将步骤一称取的原料加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，然后以5kW/min增长速率将熔炼功率升高至340kW后停止增加熔炼功率，然后恒定熔炼功率5min得熔体；三、将熔体浇注至温度为300～500℃的金属铸型中，冷却至室温，得β型γ-TiAl合金。
本实施方式中得到的β型γ-TiAl合金的名义成分为Ti-45Al-5V-4Nb-0.3Y。
本实施方式得到的β型γ-TiAl合金的XRD谱图与图1一致，相组成为γ-TiAl、α2-Ti3Al和β(B2)相三相。
本实施方式得到的β型γ-TiAl合金经锻造后试样的宏观形貌如图2所示。其中，锻造工艺为：锻造温度为1175℃，变形速率为0.01s-1。作为对比，日本三菱重工制备的Ti-45Al-5Mn合金经锻造后锻饼的宏观形貌如图3所示。对比图2和图3可知，日本三菱重工制备的Ti-45Al-5Mn合金在热加工后发生明显的开裂现象，而本实施方式制备的β型γ-TiAl合金(Ti-45Al-5V-4Nb-0.3Y合金)经热加工锻造后，合金试样表面质量良好，并无开裂现象出现。
对本实施方式制备得到的β型γ-TiAl合金在800℃下，进行循环高温氧化试验，得到的800℃下循环氧化80h的氧化增重曲线如图4中曲线1所示，可见，经80h的800℃循环氧化后本实施方式的β型γ-TiAl合金的增重在25mg/cm2左右。作为对比，本实施方式将具有良好高温变形能力的Ti-43Al-9V-0.3Y合金采用上述同样的循环高温氧化试验，得到的Ti-43Al-9V-0.3Y合金的增重曲线如图4中曲线2所示，可见，经80h的800℃循环氧化后Ti-43Al-9V-0.3Y合金的增重在250mg/cm2左右。可见，本实施方式的β型γ-TiAl合金800℃下的抗高温氧化能力是Ti-43Al-9V-0.3Y合金的10倍。

Claims (10)

1.一种β型γ-TiAl合金，其特征在于β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有41％～46％的Al、9％的V和Nb、0～0.3％的Y和余量的Ti，其中，V和Nb的原子百分含量的比值x＝0.5～5。
2.根据权利要求1所述的一种β型γ-TiAl合金，其特征在于β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有41％～46％的Al、9％的V和Nb，以及余量的Ti。
3.根据权利要求1所述的一种β型γ-TiAl合金，其特征在于β型γ-TiAl合金按原子百分含量含有43％～46％的Al、9％的V和Nb、0.1～0.3％的Y和余量的Ti。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种β型γ-TiAl合金，其特征在于V和Nb的原子百分含量的比值x＝1～3。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种β型γ-TiAl合金，其特征在于V和Nb的原子百分含量的比值x＝1.25。
6.如权利要求1所述的一种β型γ-TiAl合金的制备方法，其特征在于β型γ-TiAl合金的制备方法是通过以下步骤实现的：一、称取如下原料：海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝钒中间合金和铝钇中间合金；其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为41％～46％的Al、9％的V和Nb、0～0.3％的Y和余量的Ti，控制V和Nb的原子百分含量的比值为0.5～5；二、将步骤一称取的原料加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，然后以3～8kW/min增长速率将熔炼功率升高至200～400kW后停止增加熔炼功率，然后恒定熔炼功率1～20min得熔体；三、将熔体浇注至温度为200～600℃的金属铸型中，冷却至室温，得β型γ-TiAl合金。
7.根据权利要求6所述的一种β型γ-TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤一中其中控制Al、V、Nb、Y和Ti元素的原子百分含量为43％～46％的Al、9％的V和Nb、0.1～0.3％的Y和余量的Ti。
8.根据权利要求6或7所述的一种β型γ-TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤一中控制V和Nb的原子百分含量的比值为1～3。
9.根据权利要求8所述的一种β型γ-TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤二中然后以4～6kW/min增长速率将熔炼功率升高至280～360kW后停止增加熔炼功率。
10.根据权利要求6、7或9所述的一种β型γ-TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤二中然后恒定熔炼功率5～15min得熔体。
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