CN102268569A

CN102268569A - 一种高温蠕变性能及铸造性能优异的钛铝基合金

Info

Publication number: CN102268569A
Application number: CN 201110219517
Authority: CN
Inventors: 周洪强; 陈志强; 包淑娟; 王孟光; 吴胜男; 刘国良
Original assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Current assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2031-08-02
Also published as: CN102268569B

Abstract

本发明介绍了一种高温蠕变性能及铸造性能优异的钛铝基合金，属于γ-TiAl合金，组成为：Al：44.0~48.0at%、Nb：1.0~3.0at%、Ni：0.1-3.0at%、Si和C中的一种或两种，其中Si：0-0.8at%，C：0-0.6at%，且Si和C总量为0.1-0.9at%，其余为Ti及杂质元素。本发明的钛铝基合金既有良好的高温性能，又有良好的铸造流动性，适合薄壁零件的铸造；在850-950℃温度下表面无需进行化学处理、热喷涂、离子注入等提高材料的抗氧化性能；特别适合于铸造在900-950℃以下工作的汽油发动机增压器涡轮转子。

Description

一种高温蠕变性能及铸造性能优异的钛铝基合金

技术领域

本发明涉及一种高温合金领域技术，特别是一种高温蠕变性能及铸造性能优异的钛铝基合金。

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。

从钛铝二元相图分析，当Al含量高于51at%时，钛铝合金铸造过程中凝固路线为γ相凝固，凝固后的钛铝合金处于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两相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。

早期在钛铝合金制备过程中α相凝固路线研究很多。钛铝二元相图显示，当Al含量高于49.4 at%，低于51at%时，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）→L+α→α→α+γ→γ→α₂+γ，室温下组织为α₂+γ。凝固过程中L相冷却时首先生成固相α， α晶体将择优沿其c轴生成，从而形成明显的柱状晶体特征，而后续形成的γ片层垂直于α相c轴方向，即柱状晶体生长方向，最终形成明显的树枝晶组织，从而影响凝固后铸件性能的均匀性。

钛-铝二元合金相图，当Al含量在44.8-49.4 at %区间时，γ-TiAl合金凝固过程中将发生包晶反应：L+β→α。当Al含量位于44.8-47.0%时，包晶反应不完全，凝固路线为：L→L+β→β+α→α→α+γ→α₂+γ；当Al含量位于47.0-49.4%时，包晶反应不完全，凝固路线为：L→L+β→L+α→α→α+γ→γ→α₂+γ。当Al含量为47.0%时，包晶反应进行完全，凝固路线为：L→L+β→α→α+γ→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。包晶反应进行不完全时会一定程度上影响材料成分的均匀性。国内外经多年研究和测试，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。

当Al含量小于44.8 at %，钛铝合金材料为β相凝固，凝固路线为：L→L+β→β→β+α→α→α+γ→α₂+γ。β相凝固具有最好的成分均匀性；β相凝固过程中，由于β晶体中可以形成12个完全不同方向的α变体，最终得到取向完全不同的板条团，凝固后组织各向异性很小，各部位力学性能基本一致。但当Al含量过低时，导致凝固后组织α₂+γ中α₂相含量过高，影响材料的耐高温性能。在γ-TiAl合金中添加适量的β稳定元素如Nb、Zr、Hf，可以使Ti-Al合金相图中的β相区向右移动，从而实现β相凝固。

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

专利US6294132指出Ni可以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。

低Nb（通常为1-3at%Nb）钛铝合金材料的高温蠕变性能很差，当温度在850℃-950℃长时间应用时材料表面氧化严重，因此，低Nb钛铝合金通常不适合制备在850-950℃高温环境下长时间应用的零部件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高温抗氧化蠕变性能优异适合铸造的钛铝基合金，为新型低Nb钛铝合金材料，在原有低Nb钛铝合金材料的基础上，通过大量试验研究和数据分析，创新性地组合添加了Ni、Si、C等合金元素，新材料在很多方面较目前国内外材料具有明显的优势。Ni、Si、C元素有利于提高材料的高温蠕变性能，其中Si有利于提高材料的高温抗氧化性能；同时Si、C有利于提高材料的铸造流动性能。本发明材料铸造性能优异，适合应用于850-950℃高温环境下长时间应用的零部件，如汽车发动机涡轮增压器的涡轮转子。在此温度下钛铝材料表面通常无需进行化学处理、热喷涂、离子注入等提高材料的抗氧化性能。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种高温蠕变性能及铸造性能优异的钛铝基合金，属于γ-TiAl合金，具体化学成分及原子百分比组成为：Al：44.0~48.0 at%、Nb：1.0~3.0 at%、Ni：0.1-3.0at%、Si和C元素中的其中一种或两种，其中Si：0-0.8 at%，C：0-0.6 at%，而且Si和C元素的总量为0.1-0.9 at%，其余为Ti 及不可避免的杂质元素。

更具体优选的，具体化学成分及原子百分比组成可以为：

1）Ti-(44.0~48.0 )Al-(1.0~3.0)Nb-(0.1-3.0)Ni-(0.1-0.8)Si；

2）Ti-(44.0~48.0 )Al-(1.0~3.0)Nb-(0.1-3.0) Ni -(0.1-0.6)C；

3）Ti-(44.0~48.0 )Al-(1.0~3.0)Nb-(0.1-3.0) Ni -(0.1-0.8)Si -(0.1-0.6)C，而且Si和C元素的总量为0.4-0.9 at%。

所述的耐高温钛铝基合金，优选的化学成分质量百分比组成可以是：Al可以优选46.0-48.0 at%，更优选47 at%；Nb优选2.0-3.0 at%，更优选2.0 at%；Ni可以优选1.0~2.0 at%，更优选1.0 at%；

对于Ti-(44.0~48.0 )Al-(1.0~3.0)Nb-(0.1-3.0)Ni-(0.1-0.8)Si合金，Si可以优选0.2-0.6 at%，更优选0.4 at%；

对于Ti-(44.0~48.0 )Al-(1.0~3.0)Nb-(0.1-3.0) Ni -(0.1-0.6)C合金，C可以优选0.2-0.5 at%，更优选0.3 at%。

对于Ti-(44.0~48.0 )Al-(1.0~3.0)Nb-(0.1-3.0) Ni -(0.1-0.8)Si -(0.1-0.6)C合金，Si和C元素的总量为0.4-0.9 at%，Si可以优选0.2-0.6 at%，更优选0.4 at%；C可以优选0.2-0.5 at%，更优选0.3 at%。

这些技术方案，包括优选的各个元素质量百分比以及更优选的各个元素质量百分比也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

通过添加适量的Ni有利于改善材料的高温蠕变性能，同时提高铸造流动性能。当Ni含量超过发明专利材料的上限时，会使材料的铸造流动性能显著降低、室温延伸率恶化。

添加适量的Si可以改善材料的铸造流动性能，同时提高钛铝合金的蠕变强度和抗氧化性能，但当Si含量过高时材料的铸造流动性能显著降低，Si含量过低则对材料的铸造流动性能提高不明显。

本专利材料打破了钛、钛合金及钛铝合金行业内将C元素视为杂质元素，不能作为合金元素的传统观念，通过实际反复测试，添加适量的C元素作为合金元素，可以显著细化材料的层片间距，提高材料的抗高温蠕变性能，提高材料的室温、高温强度和硬度。但当C含量超过上限时，材料的铸造流动性能显著降低。

本发明的钛铝材料均采用海绵钛、纯Al、AlNb50合金、纯Ni、AlSi10合金、纯C粉作为原料，在真空感应炉中熔炼并浇铸涡轮模壳。浇铸用钛铝铸锭的熔炼方法为：首先抽真空至3.5Pa，对新型钛铝合金材料的原材料进行充氩熔炼，氩气压力为60000 Pa，全部熔化完成后继续搅拌2分钟，钛铝合金铸锭反复熔炼2次。

涡轮模壳的浇铸工艺为：预抽真空度3.5Pa, 钛铝铸锭全部熔化完成后继续搅拌2分钟后浇铸涡轮模壳。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明提供的一种高温蠕变性能及铸造性能优异的钛铝基合金，该合金属于γ-TiAl合金，既有良好的高温性能，又有良好的铸造流动性，适合薄壁零件的铸造，如汽车发动机涡轮增压器的涡轮转子。其长期使用温度在850-950℃温度，在此温度下钛铝表面无需进行化学处理、热喷涂、离子注入等提高材料的抗氧化性能。特别适合于铸造使用温度在900-950℃以下工作的汽油发动机增压器涡轮转子，具有巨大的市场前景。

具体实施方式

本发明的钛铝材料均采用海绵钛、纯Al、AlNb50合金、纯Ni、AlSi10合金、纯C粉作为原料，按实施例1—实施例9的成分及含量要求进行配料，在真空感应炉中熔炼并浇铸涡轮模壳。浇铸用钛铝铸锭的熔炼方法为：首先抽真空至3.5Pa，对新型钛铝合金材料的原材料进行充氩熔炼，氩气压力为60000 Pa，全部熔化完成后继续搅拌2分钟，钛铝合金铸锭反复熔炼2次。涡轮模壳的浇铸工艺为：预抽真空度3.5Pa, 钛铝铸锭全部熔化完成后继续搅拌2分钟后浇铸涡轮模壳。

实施例1--实施例9的试验结果如下表所示。

*备注：浇铸涡轮：叶片尖端厚度约为0.4mm，涡轮直径40mm，每次测试涡轮数量20件。

Claims

1.一种高温蠕变性能及铸造性能优异的钛铝基合金，其特征是：合金属于γ-TiAl合金，具体化学成分及原子百分比组成为：Al：44.0~48.0 at%、Nb：1.0~3.0 at%、Ni：0.1-3.0at%、Si和C元素中的其中一种或两种，其中Si：0-0.8 at%，C：0-0.6 at%，而且Si和C元素的总量为0.1-0.9 at%，其余为Ti 及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述钛铝基合金，其特征是：合金原子百分比组成为Ti-(44.0~48.0 )Al-(1.0~3.0)Nb-(0.1-3.0)Ni-(0.1-0.8)Si。

3.根据权利要求1所述钛铝基合金，其特征是：合金原子百分比组成为Ti-(44.0~48.0 )Al-(1.0~3.0)Nb-(0.1-3.0) Ni -(0.1-0.6)C。

4.根据权利要求1所述钛铝基合金，其特征是：合金原子百分比组成为Ti-(44.0~48.0 )Al-(1.0~3.0)Nb-(0.1-3.0) Ni -(0.1-0.8)Si -(0.1-0.6)C，而且Si和C元素的总量为0.4-0.9 at%。

5.根据权利要求2、3或4任一项所述钛铝基合金，其特征是：合金原子百分比组成为：Al为46.0-48.0 at%；Nb为2.0-3.0 at%；Ni为1.0~2.0 at%。

6.根据权利要求1所述钛铝基合金，其特征是：合金原子百分比组成为：Al为47 at%；Nb为2.0 at%；Ni为1.0 at%。

7.根据权利要求2所述钛铝基合金，其特征是：合金中Si含量为0.2-0.6 at%。

8.根据权利要求3所述钛铝基合金，其特征是：合金中C含量为0.2-0.5 at%。

9.根据权利要求4所述钛铝基合金，其特征是：合金中Si含量为0.2-0.6 at%；C含量为0.2-0.5 at%。

10.根据权利要求9所述钛铝基合金，其特征是：合金中Si含量为0.4 at%；C含量为选0.3 at%。