CN104451254A - 含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金 - Google Patents
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Abstract
一种含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,属于金属材料领域。组分含量范围为:Si8.51-11.5wt%、Al3-9wt%、V0.5-5wt%、B0.01-0.25wt%,0.3-10wt%的稳定β相的附加元素Mo、Nb、Ta,余者为Ti和不可避免的杂质。本发明以Ti-Si-Al-V-B为基础合金体系,通过添加Mo、Nb和Ta等元素进行性能优化。利用较高的Si含量,通过Si与Al、V、Mo、Nb、Ta和B元素的优化配合,使合金获得超高强度、良好的高温抗氧化和高温耐磨性能。所发明Ti-Si合金的压缩强度最高可达2100MPa以上,硬度超过50HRC。该合金适合制造航空航天、汽车和舰船等领域要求高温、耐磨、耐腐蚀的零部件。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域,涉及一种含有金属间化合物增强相的铸造高强耐磨Ti-Si共晶合金,更具体地是涉及一种含有Ti、Si、Al、V、Nb、Ta和B的高强度铸造Ti-Si共晶合金。
背景技术
钛合金材料是当今获得工程应用的最重要的轻质高强材料之一。在航空航天、舰船、汽车、化工、医疗器械和体育用品等领域获得广泛应用。但现有工程钛合金的强度和耐磨性均不高,在许多需要耐磨损的构件上尚无法满足要求。在合金品种方面,锻造钛合金比较多,铸造钛合金较少,发展相对滞后。上世纪八十年代曾经尝试过用锻造钛合金(如Ti-6Al-4V)来铸造结构件,但是发现铸件中形成了大量无法克服的缺陷,因此后来人们对具有高强度又便于铸造的钛合金的开发越来越重视。
钛硅共晶系合金的结晶范围窄,流动性好,收缩小,钛硅共晶合金不仅密度小,而且熔点低,易过热,能够很好地满足大型复杂薄壁钛合金铸件的工艺要求,因此被认为是除Fe-C和Al-Si共晶合金之外的第三种铸造合金。公开号为CN200910114058,公开日为2009年5月13日,名称为“原位自生稀土氧化物增强钛硅合金合金”的专利文献,公开了一种原位自生稀土氧化物增强钛硅合金,其原料组分按重量百分比为:Ti 74.40-88.32,Si 0.614-5.406,SiO2 2.213-5.532,La 6.821-17.054,或Ti 74.40-88.32,Si 0.696-5.406,SiO2 2.143-5.357,Nd6.859-17.147或Ti 79.05-90.24,Si 0.602-5.461,SiO2 2.395-5.987,Y 4.725-11.812。该合金弹性模量和抗压强度分别为5.23-9.28GPa和102-467MPa。
公开号为CN101497952A,公开日为2009年8月5日,名称为“一种高强度耐高温氧化的钛硅合金”称,该合金其原料组分及含量按重量百分比为:Ti78.87-88.3,Si7.33-8.2,Al和/或Nb2.8-12.3%,其抗压强度可达1498-1828MPa,在800-1000℃高温下合金的氧化增重少,合金表面形成的氧化膜致密可对合金起到很好的保护作用,并且该合金的加工性能良好,不含稀贵金属,制造成本低。
公开号为CN101871054A,公开日为2010年10月27日,名称为“200910130981.0一种生产钛硅合金的方法”称,提供了一种钛含量48-52%,硅含量48-52%,其他杂质含量小于1.5%的Ti-Si合金的生产方法。采用金属硅粉、含钛的氧化物、铝粉、还原活化剂和发热剂,按一 定比例配料,经搅拌机搅拌均匀后,将物料放置到反应器中,再通过电点火和冶炼,最终制成钛硅合金。
公开号为CN102321833A,公开日为2012年1月18日,名称为“一种铝钛硅合金靶材及其制备方法”的专利文献称,所提供的铝钛硅合金靶材由(质量百分比)铝5%-90%,钛5%-90%,硅1%-30%的原料制成,该铝钛硅合金靶材采用热压烧结方法制成。制得的铝钛硅合金靶材成分均匀,相对密度高,生产成本低。
公开号为CN201210203747,公开日为2012年12月3日,名称为“一种钛硅合金靶材的制造方法”的专利文献,公开了一种钛硅合金靶材的制造方法,该方法以硅粉、钛粉为原料,按一定的比例机械混合,装入石墨模具中,通过真空感应热压烧结,制出不同成分和不同尺寸规格的钛硅合金靶材。采用上述方法制备的钛硅合金靶材具有晶粒细小,成分均匀,无偏析,成本低,高密实度,适合规模化生产等特点。
公开号为CN103710572A,公开日为2013年11月11日,名称为“一种铸造Ti-Si-Al基高温高强度合金”的专利文献,公开了一种含有金属间化合物增强相的高温高强度铸造Ti-Si-Al合金,合金含有(重量百分比)Si 4.5-8.5,Al 2.5-9.5,Mo、Nb、Ta、V和Zr元素中至少选一种元素,含量为0.1-2.5,Ti余量。按照本发明设计的Ti-Si-Al合金的室温和500℃时的拉伸强度分别大于超过800MPa和550MPa。
公开号为CN103556000A,公开日为2014年2月5日,名称为“含稀土和金属间化合物增强相的Ti-Si-Al基合金”,公开了一种含有稀土和金属间化合物增强相的Ti-Si-Al基合金,通过添加适量的稀土元素RE(RE=Y、La、Ce、Sm、Gd、Dy、Ho、Er),使Ti-Si-Al合金获得了超过900MPa以上的室温拉伸强度。该合金成分(重量百分比)为:Si3.5-12.5%,Al2.5-9.5%,B0.01-0.5%,Y、La、Ce、Sm、Gd、Dy、Ho和Er元素中至少选一种0.01-3.5%,Ti余量。其中,RE和B的添加不仅起到了提高合金力学性能的作用,同时适量Si、Al、B和RE元素的添加,还可以使Ti-Si-Al基合金具有良好的高温抗氧化性和高温稳定性。该合金的室温抗拉强度在700MPa-1200MPa,压缩强度在1500MPa-1980MPa,压缩延伸率可达13%以上。
公开号为CN103555999A,公开日为2014年2月5日,名称为“一种高强度铸造Ti-Si-Al-B-Zr基合金”,公开了一种含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si-Al-B-Zr合金,该合金成分(重量百分比)为:Si 3.5-7.2,Al 3-8.5,B0.01-1.5,Zr0.01-3,Ti余量。
发明内容
由上述文献资料报道可知,现有的Ti-Si合金均是亚共晶合金,Si含量均在8.5%以下。 这些Ti-Si合金的压缩强度优势也不明显,预示着硬度(或耐磨性)也不够高,这就限制了该种合金在高性能结构件的应用。上述专利所述合金的强度不够高的原因在于,尽管加入了Nb、Ta、V等β相形成元素,但是硅含量较低,容易使得合金的耐磨性和铸造性能不够高。而对于硅含量高的合金系,还没有关于合金强韧化研究的报道。有鉴于此,本发明专利的目的是提供一种具有高强度、耐磨和抗氧化的硅含量超过8.5%的铸造Ti-Si共晶合金。该合金作为一种新型轻质铸造合金,可广泛应用于汽车、舰船、航空航天和能源等领域中要求热强性、抗氧化、耐磨损和耐腐蚀的零部件。
一种含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,其基础组分及含量范围为:Si8.51-11.5wt%、Al 3-9wt%、V 0.5-5wt%、B 0.01-0.25wt%,0.3-10wt%的稳定β相的附加元素Mo、Nb,、Ta,余者为钛(Ti)和不可避免的杂质。
上述铸造Ti-Si共晶合金的优选范围是:Si 8.6-10wt%、Al 3-7.5wt%、V 1.5-5wt%、B 0.03-0.20wt%,Mo、Nb和Ta每种元素的添加量为0.1-5wt%,余者为钛(Ti)和不可避免的杂质。
上述铸造Ti-Si共晶合金的另一优选范围是:Si 8.51-10wt%、Al 3-9wt%、V 0.5-3wt%、Mo 0.2-2.5wt%、Nb 0.5-2.5wt%、Ta 0.5-1.5wt%、B 0.01-0.1wt%、余者为Ti和不可避免的杂质。
本发明的Ti-Si共晶合金,通过提高Si含量,获得优异的铸造性能,通过Si与Al、V、Mo、Nb、Ta和B元素的优化配合,使合金获得超高强度、良好的高温抗氧化和高温耐磨性能,形成具有独特铸造、物理和力学性能新的铸造钛合金体系。
上述各化学元素的成分设计原理如下:
硅:Si在本发明合金中的作用主要有两个方面,一是通过共晶或过共晶反应形成钛硅陶瓷相,以增强钛合金,并提高耐磨性。二是获得理想的流动性,在Ti-Si合金富钛端的共晶系合金中,当温度为1330℃时,发生共晶转变:L→Ti+Ti5Si3。钛硅合金的共晶成分点为8.5wt%(13.7at%)Si,为了获得最佳铸造流动性、热强性与耐磨性良好配合,本发明合金中Si的含量选择在共晶点以上,其成分范围8.51%-11.5%。
铝:添加Al的目的是为了提高合金强度,降低合金密度。对Ti-Si-Al合金的研究表明,在固相线和1300℃以下,Ti5(Si,Al)3(Z)相与所有Ti-Al相并存,导致宽的两相区(β+Z,α+Z,γ+Z)和窄的三相区(α+β+Z,α+γ+Z)。Ti-Si-Al合金在一定温度和变形速率下断裂韧性的研究表明,单相Ti5(Si,Al)3合金在1200-1400K时,有一个脆性向韧性的转变温度(BDT)。在Ti5(Si,Al)3中加入Al会导致BDT转变温度偏移,与纯Ti-Si合金中的硅化物相比,有着更低的转变 温度,但在强度上没有变化。在本发明中,将Al在Ti-Si中的加入量控制在3-9%,既有利于提高合金的高温强度,又能保持一定的塑性。
V是钛合金中最重要的合金化元素之一,该合金元素既能固溶的形式存在,也可促进新的合金相的形成,V是β相稳定元素。因此加入V的目的是适当形成一定量的β相,从而调控合金基体中α与β两相的平衡,根据具体使用要求,通过添加不同V元素,实现合金的强度与塑性的良好匹配,同时也有利于提高合金的高温蠕变和持久性能。在现有Ti-Si共晶和亚共晶合金中,还没有关于通过添加V与Si、Al配合获得超高强度的报道。
Mo是提高钛合金强度、改善耐热和耐蚀性的另一重要元素,同时Mo还能细化合金铸造组织。当Mo元素含量大于24wt.%时,空冷之后的显微组织全部由β相所组成。在一些高强、高温和耐蚀钛铁合金中均含有大量Mo元素。在含有Cr和Fe等合金化元素的钛合金中加入Mo元素,可抑止Cr和Fe与Ti发生共析反应,从而提高钛合金的高温性能。特别重要的是,在Ti-Al-Mo系铸造铁合金中,Al与Mo发生交互作用而提高合金的塑性。Mo的强化机制主要是通过固溶在β相中起强化作用。
在本发明中,加入Nb和Ta的目的是为了进一步提高合金的强度,研究表明,Nb和Ta是合金高温强化最有效的元素,在Ti60和650℃的钛合金中分别通过添加Nb和Ta来获得的,这两种元素是与β-Ti晶格相同的元素,能与β-Ti无限互溶,而在α-Ti中具有有限溶解度。由于Nb、Ta、V与β-Ti晶格相同,所以这些元素能以置换方式大量溶入β-Ti中,产生较小的晶格畸变,因此,这些合金元素在产生强化作用的同时,还可保持较高的塑性。这些元素还有一个重要特点,它们与Ti发生不共析或包析反应而生成脆性相,所以合金的组织稳定性好,有利于提高合金的抗蠕变性能和持久性能,这对合金在高温下使用时至关重要的。
微量添加B可以大大改善Ti-Si合金的强度和塑性。研究发现,在Ti-Si共晶合金中,当加入0.21%B时,合金的压缩强度和塑性比Ti-Si二元共晶合金提高26%和480%。B还能显著影响亚共晶Ti-5%Si合金冷却过程中初生枝晶的生长,从而改变微观组织中的枝晶形貌。因此本发明通过添加B进一步提高合金的强度。
综上所述,本发明在Ti-Si共晶/过共晶合金的基础上,添加Al、V、Mo、Nb、Ta和B元素,形成了一种新的铸造钛合金。该种新型钛合金,不仅具有优异的力学性能,还具有良好的高温抗氧化性和高温稳定性。
本发明所述Ti-Si共晶合金具有以下优点:
(1)加入8.5%以上的硅,使合金具有优异的铸造性能,适合制造复杂薄壁铸件。
(2)通过高Si与Al、Mo、V、Nb和Ta等元素的配合,所发明Ti合金的压缩强度 显著提高。
(3)硅化物的形成使合金具有优异的高温力学性能,适合高温构件的制造,可满足航空航天、汽车和舰船等领域要求高温、耐磨、耐腐蚀的零部件。
(4)本发明所述Ti-Si共晶合金加工过程简单,不需要特殊工艺和设备,使用传统制备设备和工艺便可进行生产。
附图说明:
图1实施例5合金按铸造方法1制备的样品显微组织
图2实施例8合金按铸造方法1制备的样品显微组织
图3实施例12合金按铸造方法1制备的样品显微组织
图4实施例15合金按铸造方法1制备的样品显微组织
图5实施例12合金按铸造方法1制备的样品压缩应力-应变曲线
图6实施例12合金按铸造方法1制备的样品压缩应力-应变曲线
具体实施方式
实施例1-15
发明人对15种Ti-Si系合金进行了实验,15种实施例合金的成分如表1所示。
铸造方法1:制备母合金所采用的金属原料均为纯度大于99.9%的纯金属单质元素,根据合金的化学组成配料,在真空感应磁悬浮熔炼炉中熔炼,坩埚为水冷铜坩埚,熔炼真空度为0.01-1Pa。待合金熔化后,浇入直径为10mm,长为100mm的铸模中。按照该铸造方法制备的实施例5合金的显微组织如图1所示。
铸造方法2,制备母合金所采用的金属原料均为纯度大于99.9%的纯金属单质元素,按重量百分比进行配制经均匀混合后压制成电极,然后在真空自耗电极电弧炉中进行真空熔炼,熔炼真空度为0.01-1Pa,然后在真空自耗电极凝壳炉中再熔炼一次,熔炼好的钛合金浇入铸模中。
发明人对实施例1-15中Ti-Si合金在室温下分别进行了硬度和压缩性能测试,实验结果如表2和图1-6所示。由图1-3可见,当硅含量在10%以下时,合金的组织主要以细小的共晶组织为主,附加以少量的初生Ti5Si3相。从图4看出,当硅含量超过10%后,初生Ti5Si3相明显增多,共晶组织明显粗化。组织的变化决定了合金性能的变化。随着硅含量的提高,合金的硬度呈现出增大的趋势,这是由于合金中初生相的增多所致。从合金强度性能来看,通过适量提高Si和Al含量,配合以V、Mo、Nb、Ta和B,部分合金的压缩强度显著提高, 其中2、3、5、6、7、8、9和10合金的压缩强度均超过了2000MPa,该性能在已报道的铸铁钛合金中是非常优异的。通过这种高强度与高硬度的配合,本发明合金特别适合要求轻质、高强和耐磨的结构件中。
表1为实施例中1-15中各Ti-Si合金的化学成分表(重量百分比)
实施例 | Si | Al | V | Mo | Nb | Ta | B | Ti |
实施例1 | 8.51 | 3 | 1 | 0.2 | 0.1 | 0.1 | 0.08 | 余量 |
实施例2 | 8.8 | 7 | 2.5 | 0.1 | 1.5 | 0.1 | 0.08 | 余量 |
实施例3 | 8.8 | 7 | 2.5 | 0.1 | 0.1 | 1.5 | 0.08 | 余量 |
实施例4 | 9.2 | 5 | 3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.08 | 余量 |
实施例5 | 9.2 | 5 | 3 | 0.2 | 1.5 | 0.1 | 0.08 | 余量 |
实施例6 | 9.5 | 6.5 | 2 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.08 | 余量 |
实施例7 | 9.5 | 6.5 | 2 | 0.1 | 1.5 | 1.5 | 0.08 | 余量 |
实施例8 | 9.5 | 6.5 | 3 | 0.2 | 1 | 0.1 | 0.08 | 余量 |
实施例9 | 10 | 7.5 | 3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.08 | 余量 |
实施例10 | 10 | 9 | 4 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.08 | 余量 |
实施例11 | 10 | 3 | 5 | 0.5 | 2.5 | 1 | 0.06 | 余量 |
实施例12 | 10 | 7.5 | 3 | 0.2 | 0.1 | 1.5 | 0.08 | 余量 |
实施例13 | 10 | 9 | 4 | 0.5 | 2 | 1.5 | 0.06 | 余量 |
实施例14 | 11.5 | 3 | 5 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.08 | 余量 |
实施例15 | 11.5 | 3 | 5 | 0.5 | 2.5 | 1 | 0.08 | 余量 |
表2为实施例中1-15合金的硬度、压缩强度和压缩应变
Claims (8)
1.一种含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,其特征在于基础组分及含量范围为:Si8.51-11.5wt%、Al3-9wt%、V0.5-5wt%、B0.01-0.25wt%,0.3-10wt%的稳定β相的附加元素Mo、Nb,、Ta,余者为Ti和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,其特征在于,所述铸造Ti-Si共晶合金范围是:Si8.6-10wt%、Al3-7.5wt%、V1.5-5wt%、B0.03-0.20wt%,Mo、Nb和Ta每种元素的添加量为0.1-5wt%,余者为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,其特征在于合金成分为:Si8.51-10wt%、Al3-9wt%、V0.5-3wt%、Mo0.2-2.5wt%、Nb0.5-2.5wt%、Ta0.5-1.5wt%、B0.01-0.1wt%、余者为Ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,其特征在于合金成分为:Si8.8wt%、Al7wt%、V2.5wt%、Mo0.1wt%、Nb1.5wt%、Ta0.1wt%、B0.08wt%、余者为Ti和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,其特征在于合金成分为:Si8.8wt%、Al7wt%、V2.5wt%、Mo0.1wt%、Nb1.5wt%、Ta1.5wt%、B0.08wt%、余者为Ti和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,其特征在于合金成分为:Si9.2wt%、Al5wt%、V3wt%、Mo0.2%、Nb1.5wt%、Ta0.1wt%、B0.08wt%、余者为Ti和不可避免的杂质。
7.根据权利要求3所述的含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,其特征在于合金成分为:Si9.5wt%、Al6.5wt%、V2wt%、Mo0.1wt%、Nb1.5wt%、Ta1.5wt%、B0.08wt%、余者为Ti和不可避免的杂质。
8.根据权利要求3所述的含有金属间化合物增强相的铸造Ti-Si共晶合金,其特征在于合金成分为:Si9.5wt%、Al6.5wt%、V3wt%、Mo0.2%、Nb1wt%、Ta0.1wt%、B0.08wt%、余者为Ti和不可避免的杂质。
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