CN110512116A - 一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物 - Google Patents

一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物 Download PDF

Info

Publication number
CN110512116A
CN110512116A CN201910850353.3A CN201910850353A CN110512116A CN 110512116 A CN110512116 A CN 110512116A CN 201910850353 A CN201910850353 A CN 201910850353A CN 110512116 A CN110512116 A CN 110512116A
Authority
CN
China
Prior art keywords
content
tial
alloying
alloy
multicomponent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910850353.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110512116B (zh
Inventor
冯新
纪志军
丁贤飞
罗倩
南海
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Original Assignee
AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials filed Critical AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority to CN201910850353.3A priority Critical patent/CN110512116B/zh
Publication of CN110512116A publication Critical patent/CN110512116A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110512116B publication Critical patent/CN110512116B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/03Making non-ferrous alloys by melting using master alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C14/00Alloys based on titanium

Abstract

本发明公开了一种多组元高合金化高Nb‑TiAl金属间化合物,属于金属材料。该金属间化合物的摩尔百分含量:40~50%的Al、4~12%的Nb、0~15%的(W,Ta,Mo,Co)、0~4.5%的(Ni,Fe,Hf,Zr)、0~4%的(V,Cr,Mn)、0~2%的B、0~3%的(C,Si)、0~3%的稀土元素和余量的Ti及不可避免的杂质,合金组元数量不低于6类,本发明得到的铸造、增材制造用新型高Nb‑TiAl合金材料具有优异的高温强度、蠕变抗力及抗氧化性能,且铸造和增材制造工艺性能良好,可采用该高Nb‑TiAl合金大规模生产850℃以上服役精铸件和增材制造构件,也可用于制备高温服役用热变形高Nb‑TiAl合金构件,具有推广价值。

Description

一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物
技术领域:
本发明涉及一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,尤其涉及一种多种微量元素的适用于铸造、增材制造成形的新型多组元高合金化高Nb-TiAl合金材料属于高温合金技术领域。
背景技术:
TiAl金属间化合物具有密度低、比强度和比弹性模量高,且具有良好的抗蠕变及抗氧化能力,是新一代航空、航天飞行器用最具潜力的轻质、高强高温结构材料,然而目前TiAl合金服役温度难以超过800℃,因此无法应用于更高工作温度和高温强度的构件上。研究表明,在TiAl合金中添加Nb合金元素,可进一步提高TiAl合金的高温强度、抗蠕变及抗氧化的能力,使高Nb-TiAl合金成为最具应用前景的高温结构材料。
在TiAl合金中添加Nb元素,大幅度提高了合金的抗氧化性、抗蠕变性能和有序化温度,服役温度从650℃提高至850℃。同时,Ti原子受到Nb原子排斥引起γ相固溶强化,而且片层间距和晶粒细化,高温强度显著高于传统TiAl合金。近几年的研究表明,当Nb含量高于5at.%时,强化效果最明显,最终发展出高Nb-TiAl合金体系。为进一步提高Ti-Al-Nb三元系合金高温强度、塑性和高温抗氧化性能等,推动合金的工程化应用,研究者们提出了多组元合金化的方法。
研究表明少量的Co、Fe、Mn、V、Cr等元素可提高合金塑性、Nb、Mo、Ta、稀土元素等课题提高合金抗蠕变性能、固溶强化、室高温强度等,Mo、W、Hf可明显提高组织稳定性,Fe、Ni、Si元素可明显提高合金铸造性能,C、B、Si元素具有细化晶粒、高温强化作用。
发明内容:
本发明的目的在于提供一种通过添加多组元元素提高高Nb-TiAl合金高温力学性能、抗氧化性能及铸造性能、增材制造工艺性能优异的高Nb-TiAl金属间化合物。
本发明所要解决的技术问题是:首先,目前研发出的高Nb-TiAl合金成分体系大多适用于挤压、锻造等变形工艺,无法满足复杂构件对铸造、增材制造用高Nb-TiAl合金铸造性能和力学性能要求;其次,高Nb-TiAl合金塑性低热加工性能差,材料利用率低成本高,限制了其大规模工程化应用;再者,目前实验室阶段铸造高Nb-TiAl合金强度、塑性低于变形合金,且铸造成形方法难以通过热变形方法破碎粗大凝固组织,细化晶粒提高力学性能,因此多组元高合金化是提高铸造、增材制造合金力学性能最有效、易实现的方法之一。因此,多组元高合金化是铸造、增材制造用高Nb-TiAl合金重要发展方向。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:
一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,高Nb-TiAl合金中Al含量为40-50at.%,Nb含量为4-12at.%,W、Ta、Mo、Co单个或任意组合含量为0-15at.%;Ni、Fe、Hf、Zr单个或任意组合含量为0-4.5at.%;V、Cr、Mn单个或任意组合含量为0-4at.%,B含量0-2at.%;C、Si单个或任意组合含量0-3at.%,稀土元素0-3at.%,余量为Ti。
所述高Nb-TiAl合金中Al含量为44-50at.%,Nb含量为5-9at.%,W含量为0.1-2at.%,Mo含量为0.5-1.5at.%,Zr含量为0-2at.%,V含量为0-2at.%,B含量为0.1-0.5at.%,Si含量为0.05-0.5at.%,稀土元素含量0-1.5at.%。
所述稀土元素为La、Y、Nd、Er中的任意一种或任意组合。
所述高Nb-TiAl合金中B含量0.05-1.5at.%,Si含量0.1-1.5at.%。
所述高Nb-TiAl合金中O含量不高于500ppm,C含量不高于300ppm。
所述高Nb-TiAl合金的组织主要由α2、γ相和β相组成,γ相含量为70-95%,β相含量为3.0-25%,α2相的含量为2.0-8.0%,铸造合金的组织为均匀的等轴晶。
所述铸造组织为全片层组织。
8.如权利要求1所述多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,经热处理后可获得γ相呈等轴状,β相呈网状分布在片层团晶界处的微观组织特征。
本发明的有益效果为:通过设计一种含多组元的高合金化高Nb-TiAl金属间化合物材料,同时满足复杂熔模精密铸件、增材制造构件用高Nb-TiAl合金铸造流动性、充填性及高温强度、蠕变抗力、抗氧化性等要求。可应用航空发动机燃烧室机匣、发动机低压涡轮叶片、汽车发动机增压涡轮等部件。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
实施例1为Ti-47Al-8Nb-0.5W-3Mo-1.5Zr-0.5Y-0.2B-0.2Si(at.%)的新型高Nb-TiAl金属间化合物材料。
该合金通过下述步骤实现:一、将海绵钛、高纯铝、铝铬中间合金、铝铌中间合金、铝钨铌中间合金、铝锆中间合金、铝钇中间合金、纯硅按配比称取;二、将步骤一称得的原料加入到压力机设备中,进行加压成型,单块电极重量180kg;三、将步骤二得到的电极块放入到真空自耗电极熔炼炉中,其主要熔炼工艺参数:真空度为1Pa,熔炼电流为35KA,熔炼电压为40V,然后在恒定功率下熔炼200s,使熔体混合均匀,浇铸到水冷铜坩锅中,并随炉冷却得到一次合金铸锭;五、将步骤四中所述一次自耗电极置于真空自耗电弧炉内,进行第二次熔炼,其主要熔炼工艺参数:真空度为2Pa,熔炼电流为28KA,熔炼电压为35V,然后在恒定功率下熔炼200s,随炉冷却后得到Ti-47Al-8Nb-0.5W-3Mo-1.5Zr-0.5Y-0.2B-0.2Si(at.%)金属间化合物二次铸锭。
经热等静压、热处理后,室高温力学性能如下:
室温拉伸性能σb≥780MPa,σp0.2≥660MPa,δ5≥6%,Ψ≥5%;
700℃拉伸性能σb≥700MPa,σp0.2≥600MPa,δ5≥15%,Ψ≥17%;
高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.15%。
断裂韧性性能KIC=37Mpam1/2
实施例2为Ti-45Al-8Nb-0.5Ni-1.5V-2Zr-0.5Nd-0.2B-0.2Si(at.%)的新型高Nb-TiAl金属间化合物材料。
本实施例的Ti-45Al-8Nb-0.5Ni-1.5V-2Zr-0.5Nd-0.2B-0.15Si(at.%)金属间化合物材料制备通过下述步骤实现:一、将海绵钛,高纯铝,铝铌中间合金,铝镍中间合金,铝钒中间合金,铝锆中间合金,铝钕中间合金,铝钛硼中间合金,纯硅按重量比称取;二、将步骤一称得的原料加入到压力机设备中,进行加压成型,单块电极重量180kg;三、将步骤二得到的电极块放入到真空自耗电极熔炼炉中,其主要熔炼工艺参数:真空度为1Pa,熔炼电流为30KA,熔炼电压为40V,然后在恒定功率下熔炼200s,在水冷铜坩锅中随炉冷却得到一次合金铸锭;四、将步骤三得到的一次合金锭放入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中,熔炼功率升至550kw后熔炼150s得到钛铝合金熔体,浇铸到陶瓷型壳模具中,得到Ti-45Al-8Nb-0.5Ni-2Zr-0.5Nd-0.2B-0.15Si(at.%)铸锭。
经热等静压、热处理后,室高温力学性能如下:
室温拉伸性能σb≥760MPa,σp0.2≥670MPa,δ5≥6%,Ψ≥8%;
700℃拉伸性能σb≥690MPa,σp0.2≥620MPa,δ5≥13%,Ψ≥19%;
高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.2%;
断裂韧性性能KIC=40Mpam1/2

Claims (8)

1.一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,高Nb-TiAl合金中Al含量为40-50at.%,Nb含量为4-12at.%,W、Ta、Mo、Co单个或任意组合含量为0-15at.%;Ni、Fe、Hf、Zr单个或任意组合含量为0-4.5at.%;V、Cr、Mn单个或任意组合含量为0-4at.%,B含量0-2at.%;C、Si单个或任意组合含量0-3at.%,稀土元素0-3at.%,余量为Ti。
2.如权利要求1所述多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,高Nb-TiAl合金中Al含量为44-50at.%,Nb含量为5-9at.%,W含量为0.1-2at.%,Mo含量为0.5-1.5at.%,Zr含量为0-2at.%,V含量为0-2at.%,B含量为0.1-0.5at.%,Si含量为0.05-0.5at.%,稀土元素含量0-1.5at.%。
3.如权利要求1所述多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,所述稀土元素为La、Y、Nd、Er中的任意一种或任意组合。
4.如权利要求1所述多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,高Nb-TiAl合金中B含量0.05-1.5at.%,Si含量0.1-1.5at.%。
5.如权利要求1所述多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,高Nb-TiAl合金中O含量不高于500ppm,C含量不高于300ppm。
6.如权利要求1所述多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,高Nb-TiAl合金的组织主要由α2、γ相和β相组成,γ相含量为70-95%,β相含量为3.0-25%,α2相的含量为2.0-8.0%,铸造合金的组织为均匀的等轴晶。
7.如权利要求6所述多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,铸造组织为全片层组织。
8.如权利要求1所述多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物,其特征在于,经热处理后可获得γ相呈等轴状,少量β相分布在片层团晶界处的微观组织特征。
CN201910850353.3A 2019-09-09 2019-09-09 一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物 Active CN110512116B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910850353.3A CN110512116B (zh) 2019-09-09 2019-09-09 一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910850353.3A CN110512116B (zh) 2019-09-09 2019-09-09 一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110512116A true CN110512116A (zh) 2019-11-29
CN110512116B CN110512116B (zh) 2021-03-26

Family

ID=68631666

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910850353.3A Active CN110512116B (zh) 2019-09-09 2019-09-09 一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110512116B (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112195367A (zh) * 2020-09-29 2021-01-08 中国科学院金属研究所 一种高热稳定性等轴纳米晶Ti6Al4V-Co合金及其制备方法
KR20210084762A (ko) * 2019-12-27 2021-07-08 한국재료연구원 고온 특성이 향상된 티타늄-알루미늄계 합금
CN113502412A (zh) * 2021-07-03 2021-10-15 西北工业大学 一种可抑制有序ω相生成的TiAl合金及其制备方法
RU2777775C1 (ru) * 2021-10-27 2022-08-09 Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация" (АО "ОДК") ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ γ-TiAl ФАЗЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ЛОПАТКИ ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ γ-TiAl ФАЗЫ
CN114959361A (zh) * 2022-06-17 2022-08-30 芜湖天科航空科技有限公司 一种可析出大量有序ω相的TiAl合金及其制备方法
CN115502412A (zh) * 2022-09-28 2022-12-23 中国航空制造技术研究院 一种TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法
CN115679231A (zh) * 2022-09-16 2023-02-03 中南大学 一种提高钛铝基合金高温强塑性的工艺
CN116334447A (zh) * 2023-03-23 2023-06-27 北京科技大学 一种含C高Nb-TiAl合金的制备方法
CN116516213A (zh) * 2023-03-23 2023-08-01 北京科技大学 一种含Si高Nb-TiAl合金的制备方法
CN116516212A (zh) * 2023-03-23 2023-08-01 北京科技大学 一种高温高强的高Nb-TiAl合金的制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1672918A (zh) * 2005-04-19 2005-09-28 哈尔滨工业大学 一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材及其制备方法
CN101020983A (zh) * 2007-04-02 2007-08-22 北京科技大学 大尺寸铸态高铌TiAl基合金获得全片层组织的热处理方法
CN101875106A (zh) * 2009-11-20 2010-11-03 北京科技大学 一种定向凝固高铌钛铝基合金的制备方法
CN101942583A (zh) * 2010-09-30 2011-01-12 洛阳双瑞精铸钛业有限公司 一种铸造性能优异的耐高温钛铝基合金及其制备方法
EP2851445A1 (de) * 2013-09-20 2015-03-25 MTU Aero Engines GmbH Kriechfeste TiAl - Legierung
CN107653397A (zh) * 2017-09-27 2018-02-02 北京科技大学 一种具有优良高温变形能力的β‑γ高Nb‑TiAl合金
CN108559872A (zh) * 2018-06-05 2018-09-21 中国航发北京航空材料研究院 一种TiAl合金及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1672918A (zh) * 2005-04-19 2005-09-28 哈尔滨工业大学 一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材及其制备方法
CN101020983A (zh) * 2007-04-02 2007-08-22 北京科技大学 大尺寸铸态高铌TiAl基合金获得全片层组织的热处理方法
CN101875106A (zh) * 2009-11-20 2010-11-03 北京科技大学 一种定向凝固高铌钛铝基合金的制备方法
CN101942583A (zh) * 2010-09-30 2011-01-12 洛阳双瑞精铸钛业有限公司 一种铸造性能优异的耐高温钛铝基合金及其制备方法
EP2851445A1 (de) * 2013-09-20 2015-03-25 MTU Aero Engines GmbH Kriechfeste TiAl - Legierung
CN107653397A (zh) * 2017-09-27 2018-02-02 北京科技大学 一种具有优良高温变形能力的β‑γ高Nb‑TiAl合金
CN108559872A (zh) * 2018-06-05 2018-09-21 中国航发北京航空材料研究院 一种TiAl合金及其制备方法

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210084762A (ko) * 2019-12-27 2021-07-08 한국재료연구원 고온 특성이 향상된 티타늄-알루미늄계 합금
KR102614799B1 (ko) * 2019-12-27 2023-12-18 한국재료연구원 고온 특성이 향상된 티타늄-알루미늄계 합금
CN112195367A (zh) * 2020-09-29 2021-01-08 中国科学院金属研究所 一种高热稳定性等轴纳米晶Ti6Al4V-Co合金及其制备方法
CN113502412A (zh) * 2021-07-03 2021-10-15 西北工业大学 一种可抑制有序ω相生成的TiAl合金及其制备方法
CN113502412B (zh) * 2021-07-03 2022-05-13 西北工业大学 一种可抑制有序ω相生成的TiAl合金及其制备方法
RU2777775C1 (ru) * 2021-10-27 2022-08-09 Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация" (АО "ОДК") ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ γ-TiAl ФАЗЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ЛОПАТКИ ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ γ-TiAl ФАЗЫ
CN114959361B (zh) * 2022-06-17 2023-11-28 芜湖天科航空科技有限公司 一种可析出大量有序ω相的TiAl合金及其制备方法
CN114959361A (zh) * 2022-06-17 2022-08-30 芜湖天科航空科技有限公司 一种可析出大量有序ω相的TiAl合金及其制备方法
CN115679231A (zh) * 2022-09-16 2023-02-03 中南大学 一种提高钛铝基合金高温强塑性的工艺
CN115679231B (zh) * 2022-09-16 2024-03-19 中南大学 一种提高钛铝基合金高温强塑性的工艺
CN115502412A (zh) * 2022-09-28 2022-12-23 中国航空制造技术研究院 一种TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法
CN116516212A (zh) * 2023-03-23 2023-08-01 北京科技大学 一种高温高强的高Nb-TiAl合金的制备方法
CN116516213A (zh) * 2023-03-23 2023-08-01 北京科技大学 一种含Si高Nb-TiAl合金的制备方法
CN116334447A (zh) * 2023-03-23 2023-06-27 北京科技大学 一种含C高Nb-TiAl合金的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110512116B (zh) 2021-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110512116A (zh) 一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物
CN107686928B (zh) 一种高性能NiCoCrFeMnTi系高熵合金及其制备方法
Bewlay et al. Ultrahigh-temperature Nb-silicide-based composites
CN108467972A (zh) 一种高承温能力的镍基变形高温合金及其制备方法
CN103556020B (zh) 具有优良力学性能的高锰含量锰铜基高阻尼合金
CN106555076A (zh) 一种耐650℃高温钛合金材料及其制备方法
CN104532056B (zh) 一种高温钛合金及其制备方法
CN111020414B (zh) 一种用于700~750℃的短纤维增强高温钛合金棒材的制备方法
JP2013129880A (ja) Ni基鍛造合金と、それを用いたガスタービン
CN110643851A (zh) 一种TiAl基复合材料及其热机械处理方法
CN105695799A (zh) 一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料
CN111218586A (zh) 一种含有钪钛锆元素的3d打印用铝合金
CN104862533A (zh) 发动机涡轮用高温合金材料及其制备方法
CN114921735B (zh) 改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法
CN102251145B (zh) 一种1100MPa 级热强钛合金及其制备方法
CN104789817A (zh) 发动机涡轮用ods高温合金材料及其制备方法
CN106319286A (zh) 一种低成本钛合金及其制备方法
CN114214532B (zh) 一种精确控制亚稳组织稳定化实现γ-TiAl合金细化的方法
CN107653397A (zh) 一种具有优良高温变形能力的β‑γ高Nb‑TiAl合金
CN107043870A (zh) 一种高Si含量高温钛合金及其制备方法
CN110923589B (zh) 一种用于700~750℃的短纤维增强高温钛合金Ti-101AM
CN103305737B (zh) 一种晶粒细化型铸造镁合金及其制备方法
WO2015182454A1 (ja) TiAl基鋳造合金及びその製造方法
CN108588590A (zh) 一种原位自生成TiB2晶须增强TiAl基复合材料及其制备方法
CN108441707A (zh) 一种高强度含钨系镍基高温合金材料及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant