CN112030053A - 一种高温环境应用的轻质多主元合金 - Google Patents

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高帆
李臻熙
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Abstract

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高温环境应用的轻质多主元合；涉及一种高温环境应用的轻质多主元合金及其制备方法。采用钛、铝、铌、锆四种合金元素作为主要合金元素，按原子百分含量含有：40％～30％Ti、15％～25％Al、15％～25％Zr、20％～23％Nb、0％～5.0％Si、0％～0.5％C，余量为不可避免的杂质。合金密度在5.4g/cm3～5.9g/cm3范围内，比传统的相同使用温度的镍基高温合金密度低30％以上，对于结构减重效果显著。其抗氧化性能优异，可在600℃～750℃长期使用，在航空发动机结构件上具有很好的应用潜力。

Description

一种高温环境应用的轻质多主元合金
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高温环境应用的轻质多主元合金。
背景技术
在航空发动机材料领域，镍基高温合金作为高温结构材料应用最为广泛，但是，镍基高温合金密度高(≥8.2g/cm3)，在航空发动机结构减重的大背景下，亟待开发新型轻质、耐高温结构材料。多主元合金是近10几年来发展出来的一类新型金属结构材料，根据其组成元素和含量的差异，在结构、功能领域表现出了应用潜力。
现有报道中的可用于高温结构中的多主元合金以多主元难熔合金体系为主，一类是抗高温软化性能好，但是合金密度高，例如NbMoTaW和VNbMoTaW合金，其在1000℃时的压缩屈服强度分别为548MPa和842MPa，但是其密度分别为13.75g/cm3和12.36g/cm3；另一类是低密度多主元合金，例如，NbTiVZr合金，其密度为6.5g/cm3，600℃的压缩屈服强度834MPa，但是其在600℃不具有抗氧化性，因此也难于在高温环境应用。
本专利提出的材料是针对航空航天等高温环境应用条件开发的，其可以作为传统镍基合金的替代材料，实现明显的结构减重效果。
发明内容
本发明的目的是：提供一种高温环境应用的轻质多主元合金，以解决目前多主元合金密度高、抗高温氧化性能不足的技术问题。为航空航天高温结构件的减重提供替代材料。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种高温环境应用的轻质多主元合金，所述的多主元合金材料按原子百分含量含有：40％～30％Ti、15％～25％Al、15％～25％Zr、20％～23％Nb、0％～5.0％Si、0％～0.5％C，余量为不可避免的杂质。
所述的轻质多主元合金，合金密度在5.4g/cm3～5.9g/cm3，在750℃及以下温度抗氧化。
所述的的轻质多主元合金，可在600℃～750℃长期使用。
优选地，所述的多主元合金材料按原子百分含量含有：30％Ti、25％Al、20％Zr、20％Nb、5％Si，余量为不可避免的杂质。
优选地，所述的多主元合金材料按原子百分含量含有：40％Ti、15％Al、24.5％Zr、20％Nb、0.5％C，余量为不可避免的杂质。
优选地，所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：40％Ti、17％Al、15％Zr、23％Nb、5％Si，余量为不可避免的杂质。
优选地，所述轻质多主元合金可采用电弧熔炼或感应熔炼的方法制备。
优选地，所述轻质多主元合金的变形加工可采用锻造、轧制或挤压的方式。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中采用钛、铝、铌、锆四种合金元素作为主要添加元素，组成元素的密度较低，合金密度在5.4g/cm3～5.9g/cm3范围内，比传统的相同使用温度的镍基高温合金密度低30％，对于结构减重效果显著。
(2)本发明提供的多主元合金，可通过真空自耗熔炼或感应熔炼的方法制备，获得20kg级以上的合金铸锭。
(3)本发明提供的多主元合金在750℃及以下抗氧化，具有很好的抗高温氧化性能，可以满足航空发动压气机内轴类、盘类和叶片类等结构件的高温服役要求。
(4)从合金原材料成本方面考虑，本发明提供的高温环境应用的轻质多主元合金以钛、铝、铌、锆四种合金元素作为主要添加元素，成本较其它难熔金属元素低，易于推广应用。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
实施例1：
高温环境应用的轻质多主元合金，按原子百分含量含有：30％Ti、25％Al、20％Zr、20％Nb、5％Si，原材料采用了零级海绵钛、海绵锆、A00级高纯铝、Ti-Nb60中间合金、Si粉。
本实施例的高温环境应用的轻质多主元合金材料通过下述步骤制备：
步骤(1)：按照重量200g配置原材料，准确称取原材料；
步骤(2)：将海绵钛、海绵锆、Ti-Nb60合金混合均匀，将Al都置于非自耗熔炼坩埚底部，再将其余混合好的原材料放入坩埚，关好电弧炉舱门；
步骤(3)：抽真空至1×10-2Pa，充入氩气；
步骤(4)：引弧熔炼，根据熔池状态，逐渐增加电流至600A，顺时针方向转动钨极，持续熔炼4分钟，停弧冷却；
步骤(5)：冷却后翻转样品，重复步骤(4)三次后，冷却15分钟，出炉即可获得高温环境应用的轻质多主元合金。
经测试，合金锭的密度为5.4g/cm3；在750℃空气炉中，保温100h后，为完全抗氧化级。
实施例2：
高温环境应用的轻质多主元合金，按原子百分含量含有：40％Ti、15％Al、24.5％Zr、20％Nb、0.5％C，原材料采用了零级海绵钛、海绵锆、A00级高纯铝、Ti-Nb60中间合金、碳粉。
本实施例的高温环境应用的轻质多主元合金材料通过下述步骤制备：
步骤(1)：按照重量20kg配置原材料，准确称取原材料；
步骤(2)：将原材料混合均匀后，在压力机上压制成电极块；
步骤(3)：电极在炉外焊接；
步骤(4)：熔炼真空度＜1Pa，熔炼电流根据锭型尺寸控制在3kA～5kA范围内，熔炼电压20～30V；
步骤(5)：重复步骤(4)三次后，炉内冷却45分钟，出炉获得合金铸锭；
步骤(6)：将多主元合金铸锭进行挤压加工，挤压温度范围1050℃，挤压比6:1，挤压变形后将棒材空冷至室温，然后将棒材在800℃进行退火处理。
经测试，实施例2合金的密度为5.7g/cm3。棒材轴向取拉伸试样进行力学性能测试，测试结果见表1。
表1实施例2的拉伸性能
测试温度 σ<sub>0.2</sub>(MPa) σ<sub>b</sub>(MPa) A(％)
23℃ 1192 1214 3.0
650℃ 850 1050 3.5
750℃ 605 906 39.0
实施例3：
高温环境应用的轻质多主元合金，按原子百分含量含有：40％Ti、17％Al、15％Zr、23％Nb、5％Si，原材料采用了零级海绵钛、海绵锆、A00级高纯铝、Ti-Nb60中间合金、Si粉。
本实施例的高温环境应用的轻质多主元合金材料通过下述步骤制备：
本实施例的高温环境应用的轻质多主元合金材料通过下述步骤制备：
步骤(1)：按照重量20kg配置原材料，准确称取原材料；
步骤(2)：将原材料混合均匀后，在压力机上压制成电极块；
步骤(3)：电极在炉外焊接；
步骤(4)：熔炼真空度＜1Pa，熔炼电流根据锭型尺寸控制在3kA～5kA范围内，熔炼电压20～30V；
步骤(5)：重复步骤(4)三次后，炉内冷却45分钟，出炉获得合金铸锭；
步骤(6)：将多主元合金铸锭进行挤压加工，挤压温度范围1050℃，挤压比6:1，挤压变形后将棒材空冷至室温，然后将棒材在800℃进行退火处理。
经测试，实施例2合金的密度为5.5g/cm3。棒材轴向取拉伸试样进行力学性能测试，测试结果见表1。
表1实施例3的拉伸性能
测试温度 σ<sub>0.2</sub>(MPa) σ<sub>b</sub>(MPa) A(％)
23℃ 1201 1270 3.5
650℃ 726 950 10.0
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高温环境应用的轻质多主元合金，其特征在于：所述的多主元合金材料按原子百分含量含有：40％～30％Ti、15％～25％Al、15％～25％Zr、20％～23％Nb、0％～5.0％Si、0％～0.5％C，余量为不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高温环境应用的轻质多主元合金，其特征在于：所述的轻质多主元合金按原子百分含量含有：30％Ti、25％Al、20％Zr、20％Nb、5％Si，余量为不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的高温环境应用的轻质多主元合金，其特征在于：所述的轻质多主元合金按原子百分含量含有：40％Ti、15％Al、24.5％Zr、20％Nb、0.5％C，余量为不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的高温环境应用的轻质多主元合金，其特征在于：所述的轻质多主元合金按原子百分含量含有：40％Ti、17％Al、15％Zr、23％Nb、5％Si，余量为不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的高温环境应用的轻质多主元合金，其特征在于：所述的轻质多主元合金中合金密度在5.4g/cm3～5.9g/cm3，在750℃及以下温度抗氧化。
6.根据权利要求1所述的高温环境应用的轻质多主元合金，其特征在于：所述的轻质多主元合金的制备采用电弧熔炼的方法。
7.根据权利要求1所述的高温环境应用的轻质多主元合金，其特征在于：所述的轻质多主元合金的制备采用感应熔炼的方法。
8.根据权利要求1所述的高温环境应用的轻质多主元合金，其特征在于：所述的轻质多主元合金的变形加工采用锻造、轧制或挤压的方式。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112899525A (zh) * 2021-01-18 2021-06-04 中国航发北京航空材料研究院 一种钛基多主元合金

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006082682A1 (ja) * 2005-02-01 2006-08-10 Japan Basic Material Co., Ltd Ｔｉ－Ｎｂ－Ｚｒ系合金
CN105695799A (zh) * 2016-04-06 2016-06-22 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料
EP3216547A1 (de) * 2016-03-08 2017-09-13 MTU Aero Engines GmbH Verfahren zum herstellen einer schaufel für eine strömungsmaschine
WO2017209419A1 (ko) * 2016-06-01 2017-12-07 한국기계연구원 고엔트로피 합금
CN108531773A (zh) * 2018-05-02 2018-09-14 中国航发北京航空材料研究院 一种Ti3Al金属间化合物高温结构材料
CN110669977A (zh) * 2018-10-22 2020-01-10 南京航空航天大学 一种轻质超韧高强NbTiVAlxZry铸态高熵合金
CN110983145A (zh) * 2019-12-23 2020-04-10 昆明理工大学 一种抗蠕变性能优异的高熵合金及其制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006082682A1 (ja) * 2005-02-01 2006-08-10 Japan Basic Material Co., Ltd Ｔｉ－Ｎｂ－Ｚｒ系合金
EP3216547A1 (de) * 2016-03-08 2017-09-13 MTU Aero Engines GmbH Verfahren zum herstellen einer schaufel für eine strömungsmaschine
CN105695799A (zh) * 2016-04-06 2016-06-22 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料
CN105695799B (zh) * 2016-04-06 2017-12-15 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种Ti‑Al‑Nb系金属间化合物高温结构材料
WO2017209419A1 (ko) * 2016-06-01 2017-12-07 한국기계연구원 고엔트로피 합금
CN108531773A (zh) * 2018-05-02 2018-09-14 中国航发北京航空材料研究院 一种Ti3Al金属间化合物高温结构材料
CN110669977A (zh) * 2018-10-22 2020-01-10 南京航空航天大学 一种轻质超韧高强NbTiVAlxZry铸态高熵合金
CN110983145A (zh) * 2019-12-23 2020-04-10 昆明理工大学 一种抗蠕变性能优异的高熵合金及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112899525A (zh) * 2021-01-18 2021-06-04 中国航发北京航空材料研究院 一种钛基多主元合金

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