CN105695799A - 一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料 - Google Patents

一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料 Download PDF

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Abstract

本发明是一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al 20.0～30.0％，Nb 20.0～30.0％，Mo、V、W、Ta或Zr中的一个或两个组合0.5～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～1.0％，余量为Ti。其优点在于该合金材料具有与Ti3Al合金相近的密度，ρ＝5.2～5.5g/cm3，并具有更高的室温塑性及强度，而且具有很好的抗蠕变性能，该合金材料在700℃具有完全抗氧化性，700℃抗拉强度约为700～750Mpa。

Description

一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料
技术领域
本发明是一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，属于材料技术领域。
背景技术
随着航空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、抗氧化性能及更小的密度等。TiAl系金属间化合物具有低密度、较高弹性模量以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力，在航空发动机材料领域具有很大的应用潜力，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、叶盘等各种高温结构件，部分替代镍基高温合金壳，可减重达30～50％。
TiAlNb合金属于一种TiAl金属间化合物，其在γ-TiAl合金的基础上降低Al元素含量，同时提高Nb元素含量，从而提高了合金的塑性及加工性能，具有高比强度、低密度、高的热传导率、高的抗氧化能力及较好的抗蠕变性，使用温度可望达到700℃以上，用于航空、航天、汽车工业耐热构件、特别是形状复杂薄壁的构件的成形，可得到无余量或近无余量的精密复杂构件，大幅度减少金属损耗，提高材料的利用率，减少大量机加工，大幅度降低生产成本。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，其目的是在现有技术基础上，使该材料具有较低的密度，并具有更高的室温塑性及强度，而且具有很好的抗蠕变性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，其特征在于：该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Mo、V、W、Ta或Zr中的一个或两个组合0.5～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～1.0％，余量为Ti。
在上述技术方案的基础上，本发明对化学成分的重量百分比又进行了细化和限定，其内容如下：
该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Mo0.5～1％，Si0.5～1.0％，余量为Ti。
该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，W1～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～0.8％，余量为Ti。
该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Ta1～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～0.8％，余量为Ti。
该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Mo0.1～0.5％，Si、C中的一个或两个组合0.4～0.8％，余量为Ti。
本发明技术方案的形成是建立在对该种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的研究基础之上的，根据研究结果，该种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分可以用Ti-Al-Nb-X1-X2表达式来表示，其中，X1是固溶微量合金元素，所述固溶类合金元素包括Mo、V、W、Ta、Zr中的任意一个或两个的组合，X2是析出相微量合金元素，所述X2为Si、C中的一种或两个的组合。研究结果显示，
该种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料熔体在凝固冷却过程中，Mo、V、W、Ta、Zr等合金元素固溶到Ti-Al-Nb基体当中，改变局部晶格尺寸，从而起到固熔强化作用，提高合金强度，Si、C元素的加入在熔体中析出硅化物及碳化物颗粒相，起到析出相强化作用，提高合金高温蠕变性能。通过与不添加其它元素的相近成分Ti-Al-Nb合金相比，在延伸率保持基本相同的前提下，其室温抗拉强度提高50～150MPa，室温屈服强度提高20～120MPa，700℃高温抗拉强度提高30～100MPa，700℃高温蠕变性能提高20％左右。
具体实施方式
以下将结合实施例是对本发明技术方案作进一步地详述：
以下实施例中使用的金属为：颗粒状的海绵钛，0A级，铝为颗粒状的高纯铝豆，高纯铝豆中铝元素的质量百分比达到99.99％，使用的中间合金为：Al-Nb合金，Ti-Nb合金，Al-Mo合金，Al-V合金和AlSi合金，另外还包括锆屑、碳粉、钨粉、钽粉原料。
实施例1
该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al10.84％，Nb42.43％，Mo0.88％，Si0.70％，余量为Ti。
制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆两种金属，以及Al-75Nb、TiNb50、Al-50Mo、Al-12Si四种中间合金按配比称取，在油压机上压制成块状电极，然后在真空自耗电弧炉中进行熔炼，将熔炼好的铸锭在真空感应铸造炉中进行二次熔炼，并浇注进入钢模中，冷却至室温，制备得到直径15mm的合金铸棒。
本实施例所制备的合金铸棒具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和高温抗拉强度优异，各项力学性能及抗氧化性能如下：
室温拉伸性能σb≥950MPa，σp0.2≥850MPa，δ5≥8％，Ψ≥10％；
700℃拉伸性能σb≥750MPa，σp0.2≥700MPa，δ5≥10％，Ψ≥14％；
高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.2％；
高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.256g/(m2.h)。
该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加Mo、Si两种微量合金元素，通过Mo元素的固溶强化及Si元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了90Mpa，室温屈服强度提高50MPa，700℃高温抗拉强度提高100MPa，700℃高温蠕变性能提高25％。
实施例2
该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al9.44％，Nb48.75％，Mo0.84％、V0.45％，Si0.5％、C0.1％，余量为Ti。
制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆两种金属，碳粉以及Al-75Nb、TiNb50、Al-50Mo、Al-50V、Al-12Si五种中间合金按配比称取，在油压机上压制成块状电极，然后在真空自耗电弧炉中进行熔炼，将熔炼好的铸锭在真空感应铸造炉中进行二次熔炼，并浇注进入钢模中，冷却至室温，制备得到直径15mm的合金铸棒。
本实施例所制备的合金铸棒具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和高温抗拉强度优异。各项力学性能及抗氧化性能如下：
室温拉伸性能σb≥910MPa，σp0.2≥820MPa，δ5≥6％，Ψ≥8％；
700℃拉伸性能σb≥770MPa，σp0.2≥730MPa，δ5≥17％，Ψ≥26％；
高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.1％；
高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.271g/(m2.h)。
该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加Mo、V、Si、C四种微量合金元素，通过Mo、V元素的固溶强化及Si、C元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了60Mpa，室温屈服强度提高20MPa，700℃高温抗拉强度提高120MPa，700℃高温蠕变性能提高60％。
实施例3
该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al15.78％，Nb36.23％，W1.79％，C0.4％，余量为Ti。
制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆两种金属，纯度为99.9％的钨粉以及TiNb50、Al-75Nb两种中间合金按配比称取，在油压机上压制成块状电极，然后在真空自耗电弧炉中进行熔炼，将熔炼好的铸锭在真空感应铸造炉中进行二次熔炼，并浇注进入钢模中，冷却至室温，制备得到直径15mm的合金铸棒。
本实施例所制备的合金铸棒具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和高温抗拉强度优异。，各项力学性能及抗氧化性能如下：
室温拉伸性能σb≥1050MPa，σp0.2≥890MPa，δ5≥7％，Ψ≥9％；
700℃拉伸性能σb≥680MPa，σp0.2≥610MPa，δ5≥18％，Ψ≥25％；
高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.15％；
高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.327g/(m2.h)。
该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加W、C两种微量合金元素，通过W元素的固溶强化及C元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了190Mpa，室温屈服强度提高90MPa，700℃高温抗拉强度提高30MPa，700℃高温蠕变性能提高40％。
实施例4
该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al10.49％，Nb44.34％，Ta1.20％，C0.5％，余量为Ti。
制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆、纯度99.9％钽粉三种金属，碳粉以及TiNb50、Al-75Nb两种中间合金按配比称取，在油压机上压制成块状电极，然后在真空自耗电弧炉中进行熔炼，将熔炼好的铸锭在真空感应铸造炉中进行二次熔炼，并浇注进入钢模中，冷却至室温，制备得到直径15mm的合金铸棒。
本实施例所制备的合金铸棒具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和高温抗拉强度优异。各项力学性能及抗氧化性能如下：
室温拉伸性能σb≥930MPa，σp0.2≥850MPa，δ5≥7％，Ψ≥11％；
700℃拉伸性能σb≥700MPa，σp0.2≥670MPa，δ5≥15％，Ψ≥20％；
高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.21％。
高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.268g/(m2.h)。
该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加Ta、C两种微量合金元素，通过Ta元素的固溶强化及C元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了80Mpa，室温屈服强度提高50MPa，700℃高温抗拉强度提高50MPa，700℃高温蠕变性能提高16％。
实施例5
该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al11.39％，Nb40.93％，Ta1.26％、V0.47％，Si0.8％、C0.2％，余量为Ti。
制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆、纯度99.9％钽粉三种金属，碳粉以及TiNb50、Al-75Nb、Al-50V、Al-12Si四种中间合金按配比称取，在油压机上压制成块状电极，然后在真空自耗电弧炉中进行熔炼，将熔炼好的铸锭在真空感应铸造炉中进行二次熔炼，并浇注进入钢模中，冷却至室温，制备得到直径15mm的合金铸棒。
本实施例所制备的合金铸棒具有良好的综合性能，尤其是抗蠕变性能和高温抗拉强度优异。各项力学性能及抗氧化性能如下：
室温拉伸性能σb≥1000MPa，σp0.2≥920MPa，δ5≥6％，Ψ≥8％；
700℃拉伸性能σb≥740MPa，σp0.2≥700MPa，δ5≥18％，Ψ≥24％；
高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.2％。
高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.248g/(m2.h)。
该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加Ta、V、C、Si四种微量合金元素，通过Ta、V元素的固溶强化及C、Si元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了150Mpa，室温屈服强度提高120MPa，700℃高温抗拉强度提高80MPa，700℃高温蠕变性能提高25％。

Claims (5)

1.一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，其特征在于：该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Mo、V、W、Ta或Zr中的一个或两个组合0.5～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～1.0％，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，其特征在于：该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Mo0.5～1％，Si0.5～1.0％，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，其特征在于：该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，W1～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～0.8％，余量为Ti。
4.根据权利要求1所述的Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，其特征在于：该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Ta1～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～0.8％，余量为Ti。
5.根据权利要求1所述的Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，其特征在于：该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Mo0.1～0.5％，Si、C中的一个或两个组合0.4～0.8％，余量为Ti。
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