CN112063885A - 一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金，该合金由Al、Nb、Cr、Ru和Ti元素组成，其中Al的含量为47～49at.％，Nb为4.0at.％，Cr为2.0at.％，Ru为0.3～1.0at.％，其余为Ti，该合金通过铸锭冶炼方式获得。与Ta，Nb及Cr等常见的合金化元素不同，除固溶强化外，由于Ru元素的固溶度较低。因此，本发明在微量添加Ru的情况下即可析出细小的τ1相颗粒，形成第二相强化，进而提高其服役温度至800℃。

Description

一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金
技术领域
本发明提供了一种适用于800℃的含钌(Ru)多组元TiAl合金，属于轻质高温结构材料领域。
背景技术
TiAl合金由于具有低密度、高比强度、低膨胀系数和良好的高温力学及抗氧化性能等优点，被认为是极具应用前景的轻质耐高温结构材料，其使用温度超过钛合金使用温度上限(600℃)。目前，TiAl合金已成功应用到飞机发动机、汽车与坦克涡轮增压器等关键部件，例如：美国GE公司开发的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金(原子百分比，下同)低压涡轮叶片已成功在GEnxTM发动机中飞行服役。装配有锻造TNM合金发动机叶片的空客A380客机已于2014年顺利完成首飞。此外，TiAl合金涡轮增压器也成功应用于方程式赛车和高端轿车的发动机。我国的钢铁研究总院所研发的Ti-48Al-2.5V-1Cr合金已在新型坦克车辆的增压涡轮上取得了初步应用。西北工业大学在ZL201410598345.1的专利中设计了一种高Al中Nb含量的铸造γ-TiAl合金，该合金具有偏析少，热裂倾向小的优点，有望用于发动机低压涡轮叶片和涡轮增压器等耐热结构部件。但是，上述TiAl合金的服役温度均低于750℃且面临室温塑性差、断裂韧性较低等诸多问题。
大量的研究表明，通过多组元合金化，调整TiAl合金的凝固路径、凝固组织以及析出相形貌，是提高TiAl合金综合力学性能和服役温度的有效手段之一。Nb元素可显著提高TiAl合金的强度、蠕变抗力及抗氧化性能。Cr元素可以增强γ相的c/a值而提升合金的室温塑性。Ta元素可细化凝固组织，且经过后期热处理可获得综合力学性能优良的细晶全片层组织。
自上世纪80年代末，科研工作者便将贵金属Ru元素视为有潜力的TiAl合金化元素之一并开展了初步研究。但是，前人对含Ru-TiAl合金的工作主要集中在Ti-Al-Ru三元合金体系中，但三元合金体系一般不具备工程应用价值。
为了进一步提高TiAl合金的服役温度，促进TiAl合金的工程应用，申请人拟在多组元TiAl中添加微量的Ru元素。目前为止，尚未见通过添加微量Ru元素来提高多组元TiAl合金服役温度的报道。
发明内容
本发明的目的在于满足新型TiAl合金高强和高服役温度的要求，并提供了一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金。本发明通过微调元素含量并添加Ru元素，以保证合金在具有良好的铸造性能的同时，获得良好的抗氧化性能和高温强度，进而提升合金的服役温度。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金，它由Al、Nb、Cr、Ru和Ti元素组成，其中Al的含量为47～49at.％，Nb为4.0at.％，Cr为2.0at.％，Ru为0.3～1.0at.％，其余为Ti，该合金通过铸锭冶炼方式获得。at.％表示原子百分比。
作为优选，合金的凝固路径根据Al和Ru含量的比例，可为亚包晶、包晶或过包晶凝固；
作为优选，所述的铸锭冶炼方式为真空非自耗熔炼或电磁冷坩埚悬浮熔炼。
作为优选，所述合金的成分为Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru、Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru或Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru。
本发明的另一方面，提供了一种提高多组元TiAl合金服役温度的方法，所述TiAl合金组分为Ti-48Al-4Nb-2Cr，该方法的做法是向TiAl合金中掺入Ru元素。
作为优选，Ru的掺入量为0.3～1.0at.％，合金服役温度不低于800℃。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明与Ta，Nb及Cr等常见的合金化元素不同，除固溶强化外，由于Ru元素的固溶度较低，因此，在微量添加的情况下即可析出细小的τ1相颗粒，形成第二相强化，进而提高其服役温度至800℃。此外，微量元素的添加有助于材料减重并节省成本。对Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru与Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru合金进行800℃拉伸测试以及800℃等温抗氧化性能测试。结果表明，添加Ru元素后，合金的抗氧化性能均达到完全抗氧化标准，同时合金的高温性能得到明显提升。
附图说明
图1是Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru合金的铸态组织SEM图片。
图2是Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru合金的铸态组织SEM图片。
图3是Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru合金的铸态组织SEM图片。
具体实施方式
下面结合具体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。
本发明提供了一种具有较高服役温度的含钌多组元TiAl合金，它由Al、Nb、Cr、Ru和Ti元素组成，其中Al的含量为47～49％，Nb为4.0％，Cr为2.0％，Ru为0.3～1.0％，其余为Ti。上述百分比均为原子百分比(at.％)。当然，还合金中可能含有极微量的杂质。该合金通过铸锭冶炼方式获得，其服役温度可达到800℃。
该合金的凝固路径根据Al和Ru含量的比例，可为亚包晶、包晶或过包晶凝固。合金中Ru含量范围包括了固溶度以下和以上的范围(Ru元素固溶度<1.0％)。Ru完全固溶可使显微组织均匀，产生固溶强化并增强γ相正方性而提升塑性；而超过固溶度会促使脆性B2和τ1相析出而劣化性能，但可通过后期组织调控形成第二相强化，进而增强综合性能。合金中各元素含量可根据合金设计要求，如凝固路径，析出相类别与尺寸、服役温度以及侧重的性能指标，来进行选择。
该含Ru多组元TiAl合金的显微组织主要由γ，α2，B2和τ1四相构成。制备合金所采用的铸锭冶炼方式包括但不限于真空非自耗熔炼、电磁冷坩埚悬浮熔炼等。
下面通过若干实施例，对本发明的技术效果进行详细说明。
实施例1
本实施例合金的成分为Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru合金，具体实施方法如下：(1)将海绵钛、高纯铝、铝铬中间合金、铝铌中间合金和高纯钌粉按配比称取；(2)将步骤1中称取的原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中；(3)每次熔炼完毕后翻面继续熔炼，反复4次，确保成分均匀性。Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru合金的铸态组织SEM照片如图1所示，其主要由α2/γ片层团构成，在片层团边界及内部有富Ru的B2相及细小颗粒状的τ1相析出。这些细小的τ1相可作为第二相颗粒强化合金。
实施例2
本实施例合金的成分为Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru合金，具体实施方法如下：(1)将海绵钛、高纯铝、铝铬中间合金、铝铌中间合金和高纯钌粉按配比称取；(2)将步骤1中称取的原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中；(3)每次熔炼完毕后翻面继续熔炼，反复4次，确保成分均匀性。Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru合金的铸态组织SEM照片如图2所示，其主要由α2/γ片层团构成，因合金化元素完全固溶，在片层团边界及内部未见实施例1中的析出相。
实施例3
本实施例合金的成分为Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru合金，具体实施方法如下：(1)将海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金和高纯钌粉按配比称取；(2)将步骤1中称取的原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中；(3)每次熔炼完毕后翻面继续熔炼，反复4次，确保成分均匀性。Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru合金的铸态组织SEM照片如图3所示，与实施例1类似，其组织主要由α2/γ片层团构成，在片层团边界及内部有富Ru相析出，但其含量明显比实施例1所述合金低。
未添加Ru元素的Ti-48Al-4Nb-2Cr合金，其服役温度在750℃以下，将其与本发明上述三个实施例所制备的合金进行对比发现，本发明制备的合金具有良好的力学性能，其与Ti-48Al-4Nb-2Cr合金在800℃拉伸性能如表1。从结果中可以发现，Ru元素的添加可使TiAl合金800℃拉伸性能提升至40％。因此，本发明所述合金的最高使用温度为800℃，若后续进行组织优化，有望进一步提升高温性能。
本发明上述三个实施例所制备的合金具有优良的抗氧化性能，其800℃100h抗氧化测试结果及根据标准HB5258-2000的判定等级如表2。虽然，Mwamba等人认为低于1％的Ru含量可显著劣化TiAl合金的抗氧化性[Mwamba L,Cornish L A,Lingen E VD.Microstructural,mechanical,and oxidation property evolution of gamma-TiAlalloy with addition of precious metals[J].Journal-South African Institute ofMining and Metallurgy,2011,112(112):517-526.]，但是从实验结果来看，由于多组元的综合改性作用，本发明所述的含Ru多组元TiAl合金仍然处于完全抗氧化级，完全满足800℃服役要求。
表1各合金的800℃拉伸性能
Figure BDA0002615719240000041
表2各合金的800℃100h抗氧化性能
Figure BDA0002615719240000051
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金，其特征在于，由Al、Nb、Cr、Ru和Ti元素组成，其中Al的含量为47～49at.％，Nb为4.0at.％，Cr为2.0at.％，Ru为0.3～1.0at.％，其余为Ti，该合金通过铸锭冶炼方式获得。
2.如权利要求1所述适用于800℃的含钌多组元TiAl合金，其特征在于，合金的凝固路径为亚包晶、包晶或过包晶凝固。
3.如权利要求1所述适用于800℃的含钌多组元TiAl合金，其特征在于，所述的铸锭冶炼方式为真空非自耗熔炼或电磁冷坩埚悬浮熔炼。
4.如权利要求1所述适用于800℃的含钌多组元TiAl合金，其特征在于，所述合金的成分为Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru、Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru或Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru。
5.一种提高多组元TiAl合金服役温度的方法，所述TiAl合金组分为Ti-48Al-4Nb-2Cr，其特征在于，向TiAl合金中掺入Ru元素。
6.如权利要求5所述提高多组元TiAl合金服役温度的方法，其特征在于，Ru的掺入量为0.3～1.0at.％，合金服役温度不低于800℃。
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