CN1023133C

CN1023133C - 铌钛铝系金属间化合物耐热高温材料

Info

Publication number: CN1023133C
Application number: CN 91111952
Authority: CN
Inventors: 陈国良; 张卫军; 孙祖庆; 王沿东
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 1991-12-31
Filing date: 1991-12-31
Publication date: 1993-12-15
Anticipated expiration: 2006-12-31
Also published as: CN1069775A

Abstract

本发明提供了一种Nb-Ti-Al系金属间化合物耐热高温材料，其特征是化学成分(重量%)为Al：28～34%，Nb：16～40%，Y：0～0.8%，Ga：0～5%，Mn：0～4%，Hf：0～10%，余量为Ti。其优点在于该合金材料具有与TiAl基及Ti₃Al基合金相近的密度ρ=4.0～4.7g/cm³，并具有一定的室温韧性；在1100℃抗氧化性较TiAl合金提高约一个数量级，屈服强度约为350～530MPa，800℃屈服强度可达750MPa，即相应的高温比强度明显优于TiAl基合金及Ni基高温合金。

Description

该发明涉及的是耐高温Nb-Ti-Al系合金，该合金具有明显优异的高温强度及高温抗氧化性、较低密度和一定的室温韧性，其极限使用温度明显高于现有Ni基高温合金。

高温材料应具有低密度、高温高强度及良好高温抗氧化等特征，目前已发展的高温结构用合金主要有：常规高温合金、Ti基合金、Nb基合金、TiAl基及Ti₃Al基金属间化合物等。

常规高温合金主要有铁基、镍基、钴基高温合金，这类合金具有相对高的密度（8～9g/cm³），因而高温比强度较低，且极限使用温度不超过1100℃。

另一类高温结构材料为Ti基合金，该类合金具有较低密度约4.5g/cm³，但其较差的高温强度及高温抗氧化性限制其使用温度不超过650℃。

新型Nb基合金如Ti-53.5Nb-8.6Al-5.7Hf及Ti-43.7Nb-8.5Al-14Hf（重量%）合金（EP0372322Al）比Ni基高温合金具有较低密度（6～6.5g/cm³）、较高室温及中温强度，但900℃以上其屈服强度急骤降低，1000℃时屈服强度仅有120～160MPa，且抗氧化性较差。

Ti-Al系合金即TiAl基及Ti₃Al基金属间化合物高温材料有以下优点：

（1）较低密度，尤其是TiAl基合金密度为3.7g/cm³，约为Ni基高温合金的一半。

（2）良好的高温强度，如TiAl基合金直至800℃时屈服强度及弹性模量仍未降低，与室温时水平相当。

但Ti-Al系金属间化合物具有以下缺点：

（1）高温抗氧化性较差，TiAl基合金抗氧化性明显差于Ni基高温合金，特别是在900℃时TiAl基合金抗氧化能力急骤降低。

（2）室温韧性较差，目前报道的TiAl基合金室温韧性K_lc＝10～25MPa，合金化可改善TiAl基合金室温韧性，如US4294615中的Ti-（31～36）Al-（0.1～4）V（重量%）合金具有良好的室温韧性，但该合金高温比强度较低。

（3）不具有明显优越的高温强度，如上所述，TiAl合金直至800℃屈服强度仍保持不降，但其屈服强度水平仍较低。如日本特开平1-298127所发明的TiAl基合金800℃时屈服强度均低于400MPa;欧洲专利申请EP0363598A1所发明的Ti-Al-Nb-Si或Zr（Si或Zr二者必含其一）合金，在室温韧性、抗氧化性、高温强度等方面均较TiAl合金有所改善，但从EP0363598Al所给性能参数看，其所发明的Ti-Al-Nb-Si或Zr合金比其所选用的对比合金Ti-32.38% Al-5.18%Nb（重量%）在抗氧化性、室温断裂韧性等方面均没有改善，只是合金高温强度水平有所提高，而且其强度水平也只是820℃100小时最高蠕变断裂强度仅为350MPa。所以上述日本特开平1-298127和EP0363598Al所发明合金的性能水平亦不比现有Ni基高温合金优越，考虑到其较差的室温韧性，是难以取代现有高强Ni基高温合金的，特别是在使用温度超过820℃更是如此，即TiAl基合金极限使用温度较Ni基高温合金并不具优势。因此有必要进一步发展具有较优越性能的Ti-Al-Nb系金属间化合物材料。

本发明的目的是发展极限使用温度及强度优于TiAl基合金的新型耐热高温材料，该类合金具有与TiAl基和Ti₃Al基合金相近的密度，高温强度明显优于TiAl基及Ti₃Al基合金，同时具有一定的室温韧性，本发明特别注重提高使用温度到950℃以上直至1100℃，要求所发明合金在该温度区间比现有Ni基高温合金及TiAl基合金和Ti₃Al基合金有更优的高温比强度，并且还有与Ni基高温合金相当的抗氧化性。

本发明的Nb-Ti-Al系金属间化合物耐热高温材料的化学成分（重量%）为：

Al：28～34%

Nb：16～40%

余量为Ti。

另外，在该耐热高温材料还可含有下列元素（重量%）：

Y：0～0.8%

Ga：0～5%

Mn：0～4%

Hf：0～10%

还有该材料的优先选择范围（重量%）为Al：28～30%，Nb：20～30%，Y：0.2～0.6%，余量为Ti及不可避免的杂质元素。

本发明所给出的性能较好的合金应处于上述成分范围内是因为：

鉴于Ti-Al相图中在Al含量处于26～36%（重量%）之间合金处于Ti₃Al+TiAl两相区，目前发展TiAl基合金都企图在这个Al含量范围内控制适当的Ti₃Al及TiAl相的相对含量以得到优良的性能。本发明强调高的含Nb量（16～40%）（重量%）是由于在高Nb范围内会形成新的有序金属间化合物TiAl超结构相及γ₁相（NbTiAl₃相），同时还可得到含高Al、Nb的α相及α₂相，因此本发明并不强调以TiAl为基，而是具有多相复合组织，这种成分范围保证本合金比TiAl基及Ni基高温合金有更高的熔点及高温性能，同时保持较低密度（4.0～4.7g/cm³），高Nb合金能提高高温强度及使用温度，但对抗氧化性不利，加Y的目的在于改善抗氧化性，同时也有利于室温塑性，Ga、Mn、Hf作为提高合金高温强度及室温塑性的元素起到有利作用。

本发明的优点在于合金具有与TiAl基及Ti₃Al基合金相近的密度ρ＝4.0～4.7g/cm³，具有一定的室温韧性K_lc可达17MPa

\sqrt{m}

，1100℃抗氧化性较TiAl合金提高约一个数量级，800℃屈服强度可达750MPa，1100℃屈服强度约为350～530MPa，即相应高温比强度明显优于TiAl基合金及Ni基高温合金，从高温强度及抗氧化能力看，该合金较TiAl基合金及Ni基高温合金具有更高的极限使用温度。

下面结合附图对本发明进一步说明

图1描述了TiAl系合金（Ti-34Al）（重量%），Ti₃Al基合金（Ti-14Al-21Nb）（重量%）及本发明合金〔№1：Ti-20Nb-28Al（重量%），№7：Ti-35Nb-28Al（重量%）〕在0～1100℃不同温度下屈服强度值。其横坐标为摄氏温度，纵坐标为^σ0.2（单位为MPa），其中曲线1为本发明Ti-35Nb-28Al（重量%）合金，曲线2为本发明Ti-20Nb-28Al（重量%）合金，曲线3为Ti₃Al基合金，曲线4为TiAl系合金。

实施例：

属于本发明所涉及成分范围内合金（表1）及对比用合金经真空自耗感应炉熔炼后浇注为铸锭，并线切割加工成所要求性能试样进行密度、抗氧化性和力学性能测试，合金密度采用水中浮重法测量，抗氧化性能试样为10×10×1mm，用1100℃ 100h等温静态氧化增重表征抗氧化性，表1及图1所给屈服强度及延伸率为压缩性能，试样尺寸12×φ6mm，应变速率

＝10^-2/S，断裂韧性K_lc试样为2.5×5×16mm矩形四点弯曲试样，本发明中№1及№7合金及用于对比的TiAl基及Ti₃Al基合金0～1100℃屈服强度随温度变化曲线如图1，本发明合金具有明显优异的高温强度;表1所给对比合金为Ti-36Al（重量%）及Ti-32Al-5Nb（重量%）合金。实施例中所给合金性能证明本发明所提Nb-Ti-Al系新型耐高温合金具有前述优异性能。

Claims

1、一种Nb-Ti-Al系金属间化合物耐热高温材料，其特征在于化学成分(重量%)为：

Al 28～34%，Nb 16～40%，余量为Ti。

2、根据权利要求1所述的Nb-Ti-Al系金属间化合物耐热高温材料，其特征在于还含有下列元素（重量%）：Y0～0.8%，Ga0～5%，Mn0～4%，Hf0～10%。

3、根据权利要求1所述的Nb-Ti-Al系金属间化合物耐热高温材料，其特征在于优先选择成分范围（重量%）为：Al28～30%，Nb20～30%，Y0.2～0.6%，余量为Ti。