CN104532061A - 一种抗高温氧化钛铝合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗高温氧化β-γ TiAl合金的制备方法，属于高温合金领域。成分为：Al：40.0～44.0at％、Nb：3.0～5.0at％、Mo：0.5～1.5at％、Si：0.1～0.5at％、B：0.1～0.3at％、其余为Ti和不可避免的杂质元素。以海绵钛、高纯铝、TiNb合金、TiMo合金、纯Si和纯B粉为原料，在真空悬浮炉或非自耗真空电弧炉中反复熔炼2～4次。该合金具有良好的抗氧化性能和热加工性能，无需表面处理可在800℃长期使用；适合于加工成在800℃左右工作的航空和汽车发动机零部件。

Description

一种抗高温氧化钛铝合金及制备方法

技术领域

本发明属于一种高温合金领域，特别是一种抗高温氧化的钛铝合金及制备方法

背景技术

随着现代科技全球化高速发展，全球区域之间的竞争呈现多重化和复杂化的趋势，国防科技中航空航天事业的发展进程仍然是衡量一个国家科技水平与综合国力的重要标准。其中飞行器发动机的研制水平是航空业的重要基础；研制节省燃料、降低发动机自重，同时又能提高发动机工作效率及推动力，成为各国材料科研工作者在高温结构材料研究方向的重要目标；因此，制造飞行器发动机的高温结构材料不仅需要能够满足使用温度的要求，并且要求在该温度下此种材料需具有更高的比刚度、比强度以及低的热膨胀系数等性能，从而进一步提高发动机使用温度，降低发动机的质轻率。

相较其他金属间化合物而言，TiAl基合金的综合性能良好，其具有低密度、高熔点、高的抗氧化性以及优良的高温强度及刚度等性质，同时TiAl基合金弹性模量远高于其它结构材料，作为结构工件使用可以明显提高高频振动的承受；与Ni基合金相比，TiAl合金又有较高的高温抗蠕变性及良好的阻燃性能，这使得TiAl基金属间化合物成为目前航空航天材料研究中最有竞争力与发展前景的新型结构材料。

虽然TiAl合金在航空发动机的应用上有良好前景，但是TiAl合金具有低断裂韧性、塑性较低和抗高温氧化性能差是限制其使用的主要瓶颈。当前的TiAl合金使用温度在680～750℃，当使用温度超过750℃时抗氧化性明显下降，这就大大限制了其在航空工业的应用范围。高温使用受到差的高温抗氧化能力限制。一方面，氧化产物的生成降低了零件的承载截面积并最终限制在使用温度下能够保持完整性的时间。另一方面，在高温热暴露过程中高浓度的氧溶入合金表面形成碎的富氧层，大大降低合金的塑性。

当前，新材料国家重点实验室陈国栋院士等人研究发现高Nb-TiAl合金可显著改善其抗氧化性能，但Nb含量过高，在氧化膜中形成TiNb₂O₇、AlNbO₄相或Nb₂O₅，对合金氧化不利，并在浇注时容易偏析。所以Nb含量控制在1％～10at％范围可以明显抑制金红石(Ti O₂)的生长。

中科院金属所R.Yang教授，在《Alloy development and shell mould casting ofgamma TiAl》(Journal ofmaterials processing technology[J],2003,135:179-188)中研究发现5at％Nb-TiAl的抗氧化性能、抗热疲劳性能好于8at％Nb-TiAl。

专利US6051084指出Nb可以极大地提高TiAl合金的抗氧化性能、高温强度和蠕变性能，当Nb含量为6～10at％时合金均具有较好的抗氧化性能。

专利US6294132指出Si可提高TiAl合金的抗氧化性能、高温强度和蠕变强度。

专利CN 102268568 A指出Mo和Si的添加有利于提高TiAl合金的高温抗氧化性能。Mo还可提高室温延伸率(≤3at％)，Si还可以提高铸造流动性和蠕变强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗高温氧化的钛铝合金及制备方法。创新性地复合添加Nb、Mo、B和Si等元素，Nb、Mo和Si元素有利于提高抗高温氧化性能，Nb和Mo元素有利于扩大β相提高热加工性能，Si元素还有利于提高高温蠕变性能。本发明钛铝合金具有优异的抗氧化等性能，适合于加工成在800℃左右工作的航空和汽车发动机零部件。

为达到上述目的，本发明TiAl合金的成分为：Al：40.0～44.0at％、Nb：3.0～5.0at％、Mo：0.5～1.5at％、Si：0.1～0.5at％、B：0.1～0.3at％、其余为Ti和不可避免的杂质元素。

Nb元素的添加可提高Al元素的热力学活度，促进A1₂O₃氧化膜的形成；Nb元素不仅能促进氧化膜与基体界面间形成连续的TiN层，连续TiN层能有效降低Ti和O离子的扩散系数，而且还可抑制TiN氧化成TiO₂，Nb元素可降低TiAl基合金中氧的溶解度，从而抑制内氧化的发生。Nb元素改善了合金的氧化性能，Nb代替了TiO₂中的Ti作为+5价阳离子，并抑制TiO₂的生长，(Ti,Nb)O₂是致密层比TiO₂更具有保护性，Nb的添加也降低了外部生成Al₂O₃的临界浓度。

Mo元素在靠近氧化膜/基体界面基体侧聚集形成有利于Al外扩散的富Mo的β-Ti或δ-Ti相的生成，并且添加Mo后，氧在TiAl基合金中的溶解度明显减少，促使由内氧化转变为外氧化，氧化膜/基体界面处富钼α₂相部分转变成氧溶解度更小的β-Ti₂AlMo相，从而有效抑制合金的内氧化形成更具保护性的互联网状Al₂O₃氧化膜，降低Ti离子外扩散速率促进Al₂O₃氧化膜形成。

高温氧化时，Si元素在氧化膜与基体界面处富集，并氧化生成SiO₂层阻碍氧的扩散，从而降低氧化速率。当Si含量＜0.5at％，Si在氧化膜中溶解度小，氧化过程中会聚集在氧化膜内层起稳定Ti元素(阻碍扩散，减小TiO₂生成)，同时提高Al元素的扩散系数，促使生成Al₂O₃氧化膜。

B元素可以显著细化合金的晶粒尺寸。

本发明所述的制备方法，包括如下步骤：

(1)按下述成分熔炼炼，获得合金成分为：Al：40.0～44.0at％、Nb：3.0～5.0at％、Mo：0.5～1.5at％、Si：0.1～0.5at％、B：0.1～0.3at％、其余为Ti和不可避免的杂质元素。

(2)原料采用海绵钛、高纯铝、TiNb合金、TiMo合金、纯Si和纯B粉为原料。

(3)采用真空悬浮炉或非自耗真空电弧炉中反复熔炼2～4次并浇注成型，真空度并采用氩气保护。

(4)然后在900～950℃均匀化处理48～60h；在1200～1250℃/150～200MPa/4h条件下进行热等静处理，并采用氩气保护。

附图说明

图1为本发明合金实例2显微组织。

图2为本发明合金在800℃时的氧化增重曲线。

具体实施方式

实验所需的原材料为海绵钛，高纯铝，TiNb合金和TiMo合金。采用真空悬浮炉熔炼，熔炼时真空度熔炼3次后浇注。均匀化处理工艺为：在950℃下保温54h，氩气作为保护气体。热等静压处理工艺为：1250℃/175MPa/4h、高纯氩气作为保护气体。

经均匀化处理和热等静压处理后铸锭的成分如表1所示。图1是实例2合金的微观组织，由γ相、γ/α₂片层团和β相组成。图2是本发明实例2合金与Ti-48Al-2Cr-2Nb合金(工业应用的常规TiAl合金)在800℃的空气氛中氧化500h的增重曲线，本发明合金的抗氧化性能比Ti-48Al-2Cr-2Nb合金约提高了一倍，Ti-48Al-2Cr-2Nb合金经过400h氧化后氧化膜开始剥落；而本发明合金经500h氧化后氧化膜仍保持其完整性。

表1合金化学成分/at％

	Ti	Al	Nb	Mo	B	Si
							实例1	51.16	42.89	4.05	1.36	0.15	0.39
实例2	50.73	43.60	4.27	0.89	0.14	0.37
							实例3	50.50	43.15	4.89	0.96	0.14	0.36

Claims (4)

1.一种抗高温氧化钛铝合金，其特征是：属于β-γTiAl合金，具体化学成分为：Al：40.0～44.0at％、Nb：3.0～5.0at％、Mo：0.5～1.5at％、Si：0.1～0.5at％、B：0.1～0.3at％，其余为Ti和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述抗高温氧化钛铝合金的制备方法，其特征是：制备步骤如下：采用海绵钛、高纯铝、TiNb合金、TiMo合金、纯Si和纯B粉为原料，在真空悬浮炉或非自耗真空电弧炉中熔炼2～4次并浇注成型；在900～950℃均匀化处理48～60h；在1200～1250℃/150～200MPa/4h条件下进行热等静处理。

3.根据权利要求1所述抗高温氧化钛铝合金的制备方法，其特征是：

4.根据权利要求1所述抗高温氧化钛铝合金的制备方法，其特征是：熔炼、均匀化和热等静压处理过程均采用氩气保护。