CN107109540A

CN107109540A - 钛基互化合金

Info

Publication number: CN107109540A
Application number: CN201580069975.2A
Authority: CN
Inventors: J-Y·古斗; J-M·P·M·弗朗谢; J-L·B·V·斯特鲁都; L·杰曼; D·巴那基; V·库马; T·南迪
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-08-29
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: EP3237646A1; CA2971092A1; BR112017013328B1; EP3237646B1; WO2016102806A1; CA2971092C; US10119180B2; JP2018505316A; CN107109540B; FR3030577A1; RU2017126060A; RU2017126060A3; US20170342524A1; JP6805163B2; RU2730348C2; FR3030577B1; BR112017013328A2

Abstract

本发明特别涉及一种钛基互化合金，以原子百分率计，包含：16％～26％的Al；18％～28％的Nb；0％～3％的选自Mo、W、Hf和V的金属M；0％～0.8％的Si；0％～2％的Ta；1％～4％的Zr；满足Fe+Ni≤400ppm；余量为Ti；所述合金中以原子百分率计的Al/Nb比在1.05～1.15的范围内。

Description

钛基互化合金

背景技术

本发明涉及基于钛的互化合金。

Ti₂AlNb类的钛基互化合金在专利申请FR 97/16057中被公开。这样的合金呈现出高达650℃的高弹性极限，在550℃下的高抗蠕变性，以及在环境温度下的良好的延性。尽管如此，这些合金呈现出的高温下(650℃以上)的抗蠕变性和抗氧化性对于在涡轮机中、例如在下游盘或高压压缩机的叶轮中的特定应用而言是不足够的。这些零件构成压缩机的最热的旋转零件，且它们通常由比重大于8的镍合金制成，这对于机器的重量而言是不利的。

于是，需要一种呈现出改进的高温下的抗蠕变性的CAlNb型的新型钛基合金。

还需要一种呈现出改进的高温下的抗氧化性的Ti₂AlNb型的新型钛基合金。

还需要Ti₂AlNb型的新型钛基合金。

本发明的目的和内容

为此目的，在第一个方面，本发明提供一种钛基互化合金，该钛基互化合金中，以原子百分率计，包含：16％～26％的Al；18％～28％的Nb；0％～3％的选自Mo、W、Hf和V的金属M；0％～0.8％的Si或0.1％～2％的Si；0％～2％的Ta；0％～4％的Zr；满足Fe+Ni≤400ppm；余量为Ti。

通过具有低含量的Fe和Ni元素，本发明的合金有益地呈现出改进的高温下的抗蠕变性。

该合金可有益地呈现出在550℃的温度下的大于850兆帕斯卡(MPa)的弹性极限，在550℃～650℃的范围内的高抗蠕变性，以及在环境温度下的大于3.5％的延性和大于1000MPa的弹性极限。术语“环境温度”应被理解为20℃的温度。

除非有相反的描述，若在合金中存在选自Mo、W、Hf和V的多种金属M，则应当理解为所存在的各金属的以原子百分率计的含量的总和在规定的数值范围内。例如，如果在合金中存在Mo和W，那么Mo的原子百分率含量加上W的原子百分率含量的和在0％～3％的范围内。

存在的钽以原子百分率含量计在0～2％的范围内，这有利于降低氧化的动力学和提高合金的抗蠕变性。

在一个实施方式中，以原子百分率计，合金可满足下述条件：Fe+Ni≤350ppm，例如Fe+Ni≤300ppm。在一个实施方式中，以原子百分率计，合金可满足下述条件：Fe+Ni+Cr≤350ppm，例如Fe+Ni+Cr≤300ppm。优选地，以原子百分率计，合金可满足下述条件：Fe≤200ppm，例如Fe≤150ppm，例如Fe≤100ppm。

优选地，以原子百分率计，Al/Nb比可在1～1.3的范围内，例如在1～1.2的范围内。

这样的Al/Nb比有利于提高加热时的合金的抗氧化性。

优选地，以原子百分率计，上述Al/Nb比在1.05～1.15的范围内。

这样的Al/Nb比有助于赋予合金良好的加热时的抗氧化性。

优选地，以原子百分率计，上述合金可包含20％～22％的Nb。这样的Nb含量有利于赋予合金改进的抗氧化性、改进的延性和改进的机械强度。

在一个实施方式中，以原子百分率计，合金可包含22％～25％的Al。这样的含量有利于赋予合金改进的抗蠕变性和改进的抗氧化性。

优选地，以原子百分率计，上述合金可包含23％～24％的Al。这样的含量有利于赋予合金改进的延性、改进的抗蠕变性和抗氧化性。

在一个实施方式中，以原子百分率计，合金可包含0.1％～2％的Si，例如0.1％～0.8％的Si。优选地，以原子百分率计，上述合金可包含0.1％～0.5％的Si。

这样的Si含量有利于提高合金的抗蠕变性，并给合金带来良好的抗氧化性。

在一个实施方式中，以原子百分率计，合金可包含0.8％～3％的M。优选地，以原子百分率计，合金可包含0.8％～2.5％的M，更优选1％～2％的M。

这样的金属M的含量有利于提高合金的加热强度。

在一个实施方式中，以原子百分率计，合金可包含1％～3％的Zr。优选地，以原子百分率计，上述合金可包含1％～2％的Zr。

这样的Zr含量有利于提高合金的抗蠕变性、400℃以上的机械强度、以及抗氧化性。

在一个实施方式中，以原子百分率计，合金可满足下述条件：M+Si+Zr+Ta≥0.4％，例如M+Si+Zr+Ta≥1％。

这样的含量有利于提高合金的加热时的机械强度。

在一个实施方式中，合金可以是如下的组成：

以原子百分率计，Al的含量在20％～25％的范围内，优选在21％～24％的范围内；

以原子百分率计，Nb的含量在20％～22％的范围内，优选在21％～22％的范围内，以原子百分率计的Al/Nb比在1～1.3的范围内，优选1～1.2，更优选1.05～1.15；

以原子百分率计，M的含量在0.8％～3％的范围内，优选在0.8％～2.5％的范围内，更优选在1％～2％的范围内；以及

以原子百分率计，Zr的含量在1％～3％的范围内；

上述合金可选择性地具有以下组成：以原子百分率计，Si的含量在0.1％～2％的范围内，例如0.1％～0.8％，优选在0.1％～0.5％的范围内。

这样的合金有益于呈现出：

在650℃下的牵引下的高机械强度(R＝1050MPa-R_0.2＝900MPa)；

高温下的良好的抗蠕变性(在500MPa的应力下、于650℃经过150小时后的伸长率为1％)；

加热时的良好的抗氧化性；以及

在环境温度下的良好的延性(>3.5％)。

下述表1示出本发明的实施例合金S1～S12的组成。所有的这些组成都满足以原子百分率计的下述条件：Fe+Ni≤400ppm。

表1

合金	Al	Nb	Mo	Si	Zr	Al/Nb	比重	Tβ(℃)
									S1	22	25				0.88	5.29	1065
S2	22	25		0.5		0.88	5.28	1058
									S3	22	25	1			0.88	5.34	1055
S4	22	25	1	0.5		0.88	5.34	1065
									S5	24	25				0.96	5.29	1085
S6	22	20				1.10	5.09	1055
									S7	22	23	1.5	0.2		0.95	5.39	1060
S8	20	25	1			0.80	5.41	1025
									S9	22	25	1.5		2	0.88	5.50	1025
S10	20	23	2		2	0.87	5.43	1000
									S11	24.5	20	1.5	0.25		1.21	5.16	1105
S12	23	21.5	1.5	0.25	1.3	1.07	5.30	1005

本发明还提供一种涡轮机，该涡轮机装配有包含上述合金、具体而言由上述合金制成的零件。例如，上述零件可以是壳体或旋转零件。

本发明还提供一种发动机，该发动机包括上述涡轮机。

本发明还提供一种航空器，该航空器包括上述的发动机。

附图的简要说明

通过参照附图的下文描述，本发明的其它特征和优势将变得明显，其中：

图1示出在310MPa的应力和650℃下的各种合金的抗蠕变性的变化；

图2示出Al/Nb比对加热时的抗氧化性的影响；以及

图3A～图3D示出本发明的优选合金所获得的机械特性的结果。

实施例

实施例1：本发明的合金的制造

从由钛海绵体和母合金的颗粒组成的原料开始，制备混合物，以获得上述表1中示出的化学组成S12。然后将粉末混合物均匀化，接着进行压紧以制成构成电极的致密体。然后，通过在真空中在被消耗的电极和水冷的坩锅的底部之间生成电弧将上述电极重熔(被称为真空电弧重熔(VAR)的技术)。然后将所得的铸锭通过在高速下的变形(通过杵锻造或通过挤出)而缩减为棒料，从而减小颗粒尺寸。最终的步骤是在稍低于β转变温度的温度下以低速下的变形(千分之几)对从上述棒材切割出的小块进行等温锻造。

这样的包含1.3％的锆的S12组成的合金呈现出非常好的加热时的抗氧化性。具体而言，该合金在700℃下暴露于空气中1500小时后没有呈现出散裂，该合金因为形成的氧化层精细且具有非常强的附着性，因此受到保护，其中上述氧化层由氧化铝和氧化锆制成。不含锆的合金呈现出较差的加热时的抗氧化性。

实施例2：通过使用有限含量的Fe+Ni来提高加热时的抗蠕变性

将三种合金组成P1、P2和P3的抗蠕变性示于表2中并进行比较。

表2

组分原子百分率	Ti	Al	Nb	Mo	Fe	Ni
							合金P1	55.2	23.9	20.3	0.40	0.09	0.01
合金P2	53.9	25.3	20.3	0.40	0.07	0.01
							合金P3	55.5	23.8	20.3	0.40	0.01	0.02

这些合金包括以杂质形式存在的Fe和Ni微量元素，这是由制造方法天然地导致的。元素Fe和Ni是来自用于制备钛粉的不锈钢容器的杂质。因此，优选使用从由容器限定的容积的中央取出的高纯度钛粉，在这里，来自容器壁的污染可以忽略，从而确保获得Fe+Ni≦400ppm的条件。如图1中所示，当微量元素的含量降低以满足Fe+Ni≦400ppm的关系时，可见在310MPa的应力和650℃下的抗蠕变性的提高。具体而言，如图1所示，本发明的合金(P3)在250小时后蠕变达到1％，然而，现有的合金(P1)仅仅在40小时后蠕变就达到了该值。

实施例3：通过使用以原子百分率计在1～1.3的范围内的Al/Nb来提高加热时的耐腐蚀性

对各种合金的加热时的耐腐蚀性进行了比较。结果示于图2。合金S3、S5、S9和S11的组成在上述表1中示出。

在该测试中，作为合金的表面散裂的结果，对重量的变化进行了测定。该测试示出合金在800℃下的抗氧化性。可以看出，对于Al/Nb比不在1～1.3的范围内的合金S3、S5和S9，观察到与金属因氧化而被消耗有关的重量损失。相反地，在Al/Nb比在1～1.3的范围内的合金S11中，没有发生该重量损失。

实施例4：实施例1中制得的合金与其他种类的合金的性能的比较

测试结果汇总于图3A～图3D中，测试结果表明，组成S12在牵引和蠕变中均呈现出良好的结果。更具体地：

图3A显示各合金的弹性极限(R0.2)如何随温度而变化；

图3B显示各合金的断裂伸长率(延性)如何随温度而变化；

图3C中比较各合金在600℃和650℃的温度下的蠕变(蠕变达到1％的时间)；以及

图3D中比较各种合金在600℃和650℃下的温度的蠕变断裂的时间。

术语“包含/含有一个”应理解为“包含/含有至少一个”。

术语“在……范围内”应理解为包括端值。

Claims

1.一种钛基互化合金，以原子百分率计，包含：16％～26％的Al；18％～28％的Nb；0％～3％的选自Mo、W、Hf和V的金属M；0％～0.8％的Si；0％～2％的Ta；1％～4％的Zr；满足Fe+Ni≤400ppm；余量为Ti；所述合金中以原子百分率计的Al/Nb比在1.05～1.15的范围内。

2.一种钛基互化合金，以原子百分率计，包含：16％～26％的Al；18％～28％的Nb；0％～3％的选自Mo、W、Hf和V的金属M；0.1％～2％的Si；0％～2％的Ta；1％～4％的Zr；满足Fe+Ni≤400ppm；余量为Ti；所述合金中以原子百分率计的Al/Nb比在1.05～1.15的范围内。

3.如权利要求1或2所述的合金，其特征在于，以原子百分率计，包含20％～22％的Nb。

4.如权利要求1至3中任一项所述的合金，其特征在于，以原子百分率计，包含23％～24％的Al。

5.如权利要求1至4中任一项所述的合金，其特征在于，以原子百分率计，包含0.1％～0.8％的Si。

6.如权利要求1至5中任一项所述的合金，其特征在于，以原子百分率计，包含0.8％～3％的M。

7.如权利要求1至6中任一项所述的合金，其特征在于，以原子百分率计，包含1％～3％的Zr。

8.如权利要求1至7中任一项所述的互化合金，其特征在于，

以原子百分率计，Al的含量在20％～25％的范围内；

以原子百分率计，Nb的含量在20％～22％的范围内；

以原子百分率计，M的含量在0.8％～3％的范围内；以及

以原子百分率计，Zr的含量在1％～3％的范围内。

9.如权利要求1至8中任一项所述的合金，其特征在于，还满足M+Si+Zr+Ta≥0.4％的条件。

10.一种涡轮机，其特征在于，包括包含权利要求1至9中任一项所述的合金的零件。

11.一种发动机，其特征在于，包括权利要求10所述的涡轮机。

12.一种航空器，其特征在于，包括权利要求11所述的发动机。