CN103320648B - 铝化钛金属间组合物 - Google Patents

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Abstract

基于TiAl(γ)金属间化合物的γ铝化钛金属间组合物（γ TiAl金属间物）。所述γ TiAl金属间物含有铬和铌以及受控量的碳，所述γ TiAl金属间物达到室温机械性质和在接近并可能超过1600℉（约870℃）的温度下的高温蠕变性能之间的期望平衡。

Description

铝化钛金属间组合物
技术领域
本发明总的涉及含有钛和铝的组合物及其处理。更特别地，本发明涉及基于TiAl(γ)金属间化合物的铝化钛金属间组合物(TiAl金属间物)，其带有碳的受控添加以增强抗蠕变性同时保持可接受的室温延性。
背景技术
因为重量和高温强度是气体涡轮发动机设计中主要的考虑，所以持续努力制造在升高的温度下具有高强度的相对轻重量的组合物。在本领域中熟知，钛基合金体系具有适合于相对高温应用的机械性质。钛基合金的高温性能已通过使用基于铝化钛化合物Ti3Al(阿尔法-2(α-2)合金)和TiAl(伽马(γ)合金)的钛金属间体系而提高。这些铝化钛金属间化合物(或，为方便起见，TiAl金属间物)一般特征在于相对轻的重量，然而已知能在升高的温度下呈现高的强度、蠕变强度和耐疲劳性。可是，从TiAl金属间物通过挤出、锻造、轧辊和铸造而生产组件通常由于它们相对低的延性而变复杂。
如Huang的美国专利号4,879,092所教导，铬和铌的添加促进γTiAl金属间物的某些性质，例如抗氧化性、延性、强度等。Huang公开了一种具有Ti46-50Al46-50Cr2Nb2的近似式(或名义上约Ti-48Al-2Cr-2Nb)的特定铝化钛金属间组合物。认为该合金(本文称为48-2-2合金)呈现期望的环境抗性、室温延性和损伤容限，这允许它在气体涡轮应用中使用，例如，用于气体涡轮发动机的低压涡轮部分和特别地用作低压涡轮叶片(LPTB)的材料。
已提出对TiAl金属间物添加碳以促进某些性质。例如，Jaffee等人的美国专利号3,203,794公开碳可按最多1原子百分数(10,000ppm)的量包括在含34-46原子百分数的铝的γTiAl合金中。另一个实例为Blackburn等人的美国专利号4,294,615，其公开碳以0.05-0.25原子百分数(500-2500ppm)的量包含在含有48-50原子百分数的铝和0.1-3原子百分数的钒的γTiAl合金中。Hashimoto等人的美国专利号4,661,316公开一种γTiAl合金，其在合金中含有30-36重量％铝和0.1-5重量％锰，并还可包括0.02-0.12重量％的量的碳。然而，Jaffee等人、Blackburn等人和Hashimoto等人总的公开碳添加倾向于降低延性。另一方面，Huang的美国专利号4,916,028公开0.05-0.3原子百分数(500-3000ppm)的碳添加可提高产生于γTiAl合金的快速固化和挤出的组件的延性，所述γTiAl合金基于48-2-2合金并含有46-50原子百分数铝、1-3原子百分数铬和1-5原子百分数铌。
48-2-2合金具有最多约1400°F(约760℃)的名义温度性能，具有最多约1500°F(约815℃)的有用但减低的性能。然而，该合金在低压涡轮内和在别处的更广阔的用途可以是有可能的，若在超过1500°F(约815℃)的温度下(例如至约1600°F(约870℃)的温度)可达到提高的抗蠕变性。因此，期望扩展48-2-2合金的蠕变性能，然而不牺牲该合金体系的环境抗性、室温延性和损伤容限。为取得LPTB应用的可接受的抗蠕变性水平，认为1％的名义延性和0.5％的最小延性是期望的(若非必须)，以提供足够的设计边际以及从合金铸造和机械加工组件的能力。值得注意的是，虽然通过添加大量的难熔元素(例如铌)并带有一般为1000ppm或更多的碳含量，已在γTiAl金属间组合物中展示提高的抗蠕变性，但是(除美国专利号4,916,028外)这些量的碳添加已经与延性降低相联系，通常导致0.1％或更小的名义延性。
发明内容
本发明提供基于TiAl(γ)金属间化合物的γ铝化钛金属间组合物(γTiAl金属间物)。所述γTiAl金属间物含有铬和铌以及受控量的碳，所述γTiAl金属间物达到室温机械性质和在接近并可能超过1600。F(约870℃)的温度下的高温蠕变性能之间的期望平衡。
TiAl金属间组合物基于前述的48-2-2合金并含有46-50原子百分数铝、1-3原子百分数铬和1-5原子百分数铌，不过还含有碳，当包括有非常受控的约160-500ppm(约0.016-0.05原子百分数)的量时，所述的碳量能促进组合物的抗蠕变性性质而没有不可接受地降低其室温延性。
本发明的其它方面和优势将从以下详述得以更好理解。
本发明请求保护：
1.一种基于γTiAl金属间化合物的铝化钛金属间组合物，所述铝化钛金属间组合物由以下组成：产生γTiAl金属间化合物的量的钛和铝，160-470ppm的量的铬、铌、碳，以及伴随的杂质。
2.项目1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有约46-50％铝。
3.项目1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有约160-420ppm碳。
4.项目1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有约270-420ppm碳。
5.项目1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有约300ppm碳。
6.项目1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物为铸件形式并具有含等轴和层状形态的双重微观结构。
7.项目1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物呈现不低于0.5％的最小室温延性。
8.项目1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物呈现至少1％的室温延性。
9.项目1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物按原子百分数计由以下组成：1-3％铬、1-5％铌、160-470ppm碳、产生γTiAl金属间化合物的量的钛和铝，以及伴随的杂质。
10.项目9的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有约46-50％铝。
11.项目9的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有约160-420ppm碳。
12.项目9的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有约270-420ppm碳。
13.项目9的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有约300ppm碳。
14.项目9的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物为铸件形式并具有含等轴和层状形态的双重微观结构。
15.项目9的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物呈现不低于0.5％的最小室温延性。
16.项目9的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物呈现至少1％的室温延性。
附图说明
图1是表示本发明的TiAl金属间组合物形成的铸件的处理方法的流程图。
图2含有4个图，它们绘制含变化量的碳的4种实验γ铝化钛金属间组合物的抗蠕变性、室温和高温伸长率以及裂纹发展阈值(Kth)。
具体实施方式
本发明提供一种γTiAl金属间组合物，其含有受控量的铬、铌和碳，以取得室温机械性质和高温蠕变性能间的期望平衡，这使所述组合物适用于高温应用，包括但不限于气体涡轮发动机的低压涡轮部分。
机械学上，已知碳通过充当空隙增强剂而提高TiAl金属间组合物的强度。根据本发明，非常受控的碳添加能促进抗蠕变性性质而没有不可接受地降低γTiAl金属间组合物的室温延性，所述γTiAl金属间组合物含有46-50原子百分数铝、1-3原子百分数铬、1-5原子百分数铌。若碳量为约160-500ppm(约0.016-0.05原子百分数)，更特别为约160-470ppm(约0.016-0.047原子百分数)，则可特别地达到性质的这种有利平衡。可在制备γTiAl金属间组合物的初熔体(primary melt)或复熔体(revert melt)时引入碳添加。
在得到本发明的研究期间，确定了在含有1-3原子百分数铬和1-5原子百分数铌的γTiAl金属间组合物中，碳含量和室温延性之间在160-500ppm的狭窄碳含量范围内存在逆线性关系。伴随地，在该范围，观察到这些组合物的抗蠕变性随着碳含量提高而提高。在这些关系的基础上，还确定了碳的受控添加可导致提高的抗蠕变性同时保持足够的延性以允许从这些组合物设计和制造组件，例如在铸造和经处理以生产气体涡轮发动机的低压涡轮叶片时。
在研究期间，制备了含有4种不同量的碳的熔体：160、270、420和500ppm。通过以下生产组合物：在感应凝壳熔炼炉(induction skull melter)中熔化前述48-2-2合金的锭，将受控量的碳添加到熔体，然后再铸该熔体。除它们的碳含量以外，TiAl金属间组合物的名义化学组成按原子百分数计为：约48％铝、约2％铬、约1.9％铌和余量的钛，以及伴随的杂质。对每种组合物作热处理、热等静压(hot isostatically press，HIP)并测试机械性质。这些测试的结果绘制于图2的曲线图中。如蠕变图中所见，观察到抗蠕变性随碳含量提高，但室温和1400°F(约760℃)伸长率随碳含量降低。800°F(约425℃)下的裂纹发展阈值(Kth)在全部测试的碳量下是可接受的。后者的性质对于本发明的γTiAl金属间组合物是重要的考虑，因为它是对于LPT叶片和类似地经受可能促进裂纹扩展的条件的其它组件的长期可靠性所关注的主要参数。
总的说来，研究结果表明在测试范围内的碳含量应提供超过1500°F(约815℃)和可能约1600°F(约870℃)或更高的高温性能。因为0.5％的最小室温延性确定为LPTB应用的需求，研究结果还表明对于本发明的γTiAl金属间组合物的优选最大碳含量为470ppm。特别地，推断含有500ppm碳量的样品呈现不足够的室温延性以使基于48-2-2合金的γTiAl金属间组合物能容易地可加工为LPT叶片。因为1.0％的名义室温延性确定为LPTB应用所期望，研究结果表明270ppm(0.027原子百分数)的测试碳量提供性质的特别期望的平衡。由此，认为约300ppm(0.03原子百分数)的名义碳含量可能提供蠕变强度和室温延性之间的最优平衡。
本发明的γTiAl金属间组合物可根据图1中所示程序处理。作为非限制性实例，在γTiAl金属间组合物的铸件的生产后，HIP前热处理可在约1800-约2000°F(约980-约1090℃)范围内的温度下进行约5-12小时的持续时间。其后，将铸件冷却并转移到HIP室，然后经受约2165°F下约3小时持续时间的高压HIP步骤(例如25ksi(约1720bar)或更高)。然后将经HIP的铸件冷却，从HIP室去除，然后经受约2200°F的温度下约2小时持续时间的HIP后固溶处理。虽然认为该过程是可接受的，但认为更优选的过程公开于美国专利申请序列号61/614,751(提交于2012年3月23日)，其内容通过引用并入本文。优选过程特别适合产生γ铝化钛金属间组合物形成的铸件，所述γ铝化钛金属间组合物呈现促进铸件延性的含有等轴和层状形态的期望的双重微观结构。
虽然已就特定实施方案描述本发明，但是显然本领域技术人员可采用其它形式。因此，本发明的范围将仅由权利要求限制。

Claims (10)

1. 一种基于γ TiAl金属间化合物的铝化钛金属间组合物，所述铝化钛金属间按原子百分数计由以下组成：产生γ TiAl金属间化合物的量的钛和46-50%铝，1-3%铬、1-5%铌、160-470ppm碳，以及伴随的杂质。
2.权利要求1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有160-420ppm（原子百分含量）碳。
3.权利要求1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有270-420ppm（原子百分含量）碳。
4.权利要求1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有300ppm（原子百分含量）碳。
5.权利要求1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物为铸件形式并具有含等轴和层状形态的双重微观结构。
6.权利要求1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物呈现不低于0.5%的最小室温延性。
7.权利要求1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物呈现至少1%的室温延性。
8.权利要求1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有2%的铬。
9.权利要求1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有1.9%的铌。
10.权利要求1的铝化钛金属间组合物，其中所述铝化钛金属间组合物含有48%的铝。
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