CN112626373A

CN112626373A - 一种高温钛铝合金及其制备方法

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Publication number: CN112626373A
Application number: CN202011313850.9A
Authority: CN
Inventors: 李明骜; 周涛; 肖树龙; 徐丽娟; 胡励; 时来鑫; 李娟�; 任科研
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2021-04-09

Abstract

本发明公开了一种高温钛铝合金，按原子百分比计包括如下组分：40～46％的Al，4～8％的Nb，1～3％的Mo，1～4％的Cr，余量为Ti。钛铝合金的高温强度和塑性得到显著提高。还公开了上述高温钛铝合金的制备方法，其包括如下步骤：S1，按照上述的元素组分原子百分比称取海绵钛、铝块、铬粉、铝铌中间合金和铝钼中间合金；S2，将海绵钛平均分为两份，先将其中一份加入到熔炼炉的坩埚中，再将铬粉、铝铌中间合金和铝钼中间合金混合均匀，平铺在坩埚内的海绵钛上面，再加入另一份海绵钛，将铝块放置于位于上方的海绵钛上；S3，在熔炼炉真空度为7mbar及以下的条件下，加热至坩埚内的混合材料完全熔化，保温20～25min，浇铸得到具有优异高温使用性能的钛铝合金。

Description

一种高温钛铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料，具体涉及高温钛铝合金及其制备方法。

背景技术

TiAl合金具有较高的比强度、优异的抗蠕变性能及高温抗氧化性能，同时其密度较低，可以实现工程构件的大规模减重，在航空航天、军工等领域具有巨大的应用潜力。美国GE 公司采用TiAl合金制备了波音787大型客机的增压涡轮发动机低压叶片，促使发动机重量大幅度减少；日本三菱重工集团通过添加高含量的Mn、V等元素稳定了热加工过程，研发出力学性能优异的TiAl-Mn-V系合金。

工程化TiAl合金具有四种典型的显微组织：近γ组织(Near gamma，NG)、双态组织(Duplex，DP)、近层片组织(Nearly lamellar，NL)、全片层组织(Fully lamellar，FL)，其力学性能与显微组织密切相关，通过合金化、热处理、热机械处理等可以调控片层组织比例、片层间距、晶粒尺寸、晶界特征等组织特征来达到使用性能优化的目的。

TiAl合金的使用温度及其高温强度和塑性已经不能够满足新一代航空飞行器对材料高温力学性能的迫切要求，因此，钛铝合金的发展重点逐步转变为对高温使用性能改善的研究。研究表明，β凝固能够避免TiAl合金的凝固路径经过包晶反应区域，从而使TiAl合金获得均匀的组织及优异的力学性能。另外，凝固组织中树枝晶界会析出一定含量的β/β₀相，高温下A2结构的无序β相可开动大量滑移系，以供位错及孪晶运动，促进合金热加工过程中的塑性变形。为获得适量β/β₀相，TiAl合金成分需满足以下条件：1、无明显铸造织构； 2、凝固路径必须为L→L+β→β→…而不是易产生偏析的L→L+β→α→…；3为避免在热加工或热处理过程中产生晶粒长大无法控制的现象，α+γ→α反应应该被避免。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温钛铝合金及其制备方法，其能够提高钛铝合金的高温强度和塑性。

本发明所述的高温钛铝合金，按原子百分比计包括如下组分：40～46％的Al，4～8％的Nb，1～3％的Mo，1～4％的Cr，余量为Ti。

进一步，按原子百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，余量为Ti。

一种高温钛铝合金的制备方法，其包括如下步骤：

S1，称料，按照上述的元素组分原子百分比称取海绵钛、体积≤6cm³的铝块、铬粉、铝铌中间合金和铝钼中间合金；

S2，布料，将海绵钛平均分为两份，先将其中一份加入到熔炼炉的坩埚中，再将铬粉、铝铌中间合金和铝钼中间合金混合均匀，平铺在坩埚内的海绵钛上面，再加入另一份海绵钛，将铝块放置于位于上方的海绵钛上；

S3，熔炼，在熔炼炉真空度为7mbar及以下的条件下，熔炼炉以速度为10～25kW/min 加载功率至260～300kW，加热至坩埚内的混合材料完全熔化，在熔化温度下保温20～25min，浇铸得到强韧化钛铝基复合材料。

进一步，所述S3中的熔化温度为1540～1680℃。

进一步，所述S1中铬粉的纯度≥99.99wt.％，铝铌中间合金中Nb的质量分数为50～54％，铝钼中间合金中的Mo的质量分数为48～52％。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果。

1、本发明限定了Al元素含量为40～46％，Al元素含量直接决定了TiAl合金的凝固路径。研究表明，Al元素含量>44％时，凝固初期β相从液相中析出，温度降至包晶反应区域时，α相在β相及液相界面处形核。理论上α相自由生长可以形成12种位向，但是温度梯度作用下，该组织中只会形成一种位向的α相，α相沿着β相树枝晶生长，最终生长形成粗大的柱状晶。当Al元素含量<44％时，合金凝固路径不经过包晶反应区域，此时α相析出的取向较多，导致层片团取向多样性增加，减弱元素偏析形成。考虑到部分β相稳定元素的引入，当Al元素含量为40～46％时，TiAl合金凝固方式为β凝固，并能够获得(α₂+γ) 双相结构的最终组织。因此，为避免凝固路径经过包晶反应相区及大程度偏析的形成，本发明将Al元素含量限定为40～46％。

2、本发明综合限定了Nb元素的含量为4～8％，Mo元素的含量为1～3％，Cr元素的含量为1～4％，Cr元素能够降低TiAl和TiAl₃金属间化合物的总能量，提高合金内部结合能力和稳定性，减小晶粒直径，提高合金室温强度，显著改善合金800℃及900℃的高温抗氧化性能，还能够降低α相转变温度，促进γ相中机械孪晶形核，改善合金的室温塑性。另外，随着Mo元素含量由0.6at.％增加到1.2at.％，β相含量由3.33％增至6.9％，γ相含量由61.6％增至82.3％，合金的室温及高温塑性显著增加。Mo元素能够有效提高合金的断裂韧性，并且相同含量的Mo元素对β相的稳定作用远强于Nb元素，促使TiAl合金凝固组织中β相的形成，协调高温塑性变形。

作为强β相稳定元素，Nb、Mo及Cr元素均会增加TiAl合金中β相的体积分数，高温下无序的β相能够开动滑移系供位错及孪晶滑过，释放应力集中，协调塑性变形，而室温下β相会有序化为脆性β₀相，恶化合金的室温塑性。因此，通过成分设计合理控制组织中β相含量能够促使合金获得良好的热加工性能及力学性能。研究表明，元素含量分别超过以下临界值时，Cr：3％；Nb：9％；Mo：1％，TiAl合金室温组织中会出现β₀相，根据以上临界值总结出室温Mo当量公式[Mo]_eq-RT＝Mo+W+1/3Cr+1/4Mn+1/4V+1/9Nb；以及高温Mo当量公式[Mo]_eq-HT＝Mo+2W+1/2Cr+1/3Mn+1/5V+1/10Nb。

当Nb含量为10％时，合金中高温下才会析出β相，Mo元素含量为0.5％时，组织中没有β相析出，而随着Mo元素含量增至1％，β相析出。2％的Cr元素造成1.7％的β相析出。若[Mo]_eq-RT＜1，室温组织中没有β₀相；当[Mo]_eq-RT＝1，β₀相开始析出；随着[Mo]_eq-RT继续增加，β₀相含量增加。当[Mo]_eq-HT＝1时，无序β相在1200℃时开始析出，随着[Mo]_eq-HT增加，β相含量增加，促进合金的高温塑性变形，降低合金的峰值应力。当高温Mo当量超过1.5％时，TiAl合金具有较好的热塑性成形能力。根据该Mo当量公式能够估算出不同成分的TiAl合金高温及室温组织中β/β₀相的含量，达到平衡合金高温力学性能与其热加工性能之间关系的目的，促使钛铝合金获得优异高温力学性能的同时不增加其热加工难度，因此，本发明综合限定Nb的含量为4～8％，Mo的含量为1～3％，Cr的含量为1～4％。

具体实施方式

下面对本发明作详细说明。

实施例一，一种高温钛铝合金，按原子百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb， 1％的Mo，1％的Cr，余量为Ti，其制备方法包括如下步骤。

S1，称料，按照上述的元素组分原子百分比称取海绵钛、体积≤6cm³的铝块、铬粉、铝铌中间合金和铝钼中间合金。所述铬粉的纯度≥99.99wt.％，铝铌中间合金中Nb的质量分数为52％，铝钼中间合金中的Mo的质量分数为50％。

S3，熔炼，在熔炼炉真空度为7mbar及以下的条件下，熔炼炉以速度为20kW/min加载功率至300kW，加热至坩埚内的混合材料完全熔化，熔化温度为1600℃，在熔化温度下保温25min，然后翻转坩埚，将熔体倾倒入预热温度为600℃的钢模具中，再向炉体内充入氩气，开炉后自然冷却至室温，得到高温钛铝合金。

将制得的高温钛铝合金在温度为800℃、850℃、900℃的条件下进行拉伸试验，结果参见表1。

表1合金的高温力学性能

<u>拉伸测试温度</u>	<u>极限抗拉强度(MPa)</u>	<u>延伸率(％)</u>
			<u>800℃</u>	<u>534.85±16.61</u>	<u>3.71±0.33</u>
<u>850℃</u>	<u>507.36±6.49</u>	<u>10.25±0.58</u>
			<u>900℃</u>	<u>379.91±4.30</u>	<u>15.65±2.21</u>

高温钛铝合金800℃的抗拉强度≥515MPa，塑性≥3.4％。

参见表2，目前几种现有的钛铝合金系的高温力学性能详细参数。

表2现有钛铝合金系高温力学性能

合金成分(at.％)	加工方式	极限拉伸强度(MPa)	延伸率(％)	测试温度(℃)
					Ti-42Al-9V	铸态	503	1.8	700
Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y	锻态	496	10	700
					Ti-43Al-9V-0.3Y	铸态	464	5.7	700
Ti-43Al-9V-0.2Y	锻态	449	5.8	800
					Ti-43Al-4Nb-2Mo	铸态	456	4.6	850
Ti-45Al-9Nb-Y	锻态	403	2.1	850

成分为Ti-42Al-9V的铸态和轧态钛铝合金系在700℃下的高温拉伸强度分别为503MPa 和846MPa；700℃下铸态Ti-43Al-9V-0.3Y合金系的高温极限抗拉强度为464MPa；锻态 Ti-43Al-9V-0.2Y合金系在700℃下的极限抗拉强度为449MPa；锻态Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y 合金系在700℃的高温极限抗拉强度为496MPa。对比现有数据发现，通过合金成分设计与优化，随着高含量Nb、Mo和Cr等高熔点元素的合金化，本发明涉及的高温钛铝合金的高温力学性能得到显著改善，使用温度能得到显著提高。

实施例二，一种高温钛铝合金，按原子百分比计包括如下组分：45％的Al，8％的Nb， 2％的Mo，2％的Cr，余量为Ti，其制备方法与实施例一相同，经试验验证，800℃高温极限抗拉强度可达613MPa，其高温力学性能优于目前几种现有的钛铝合金系的高温力学性能。

实施例三，一种高温钛铝合金，按原子百分比计包括如下组分：45％的Al，4％的Nb， 1％的Mo，2％的Cr，余量为Ti，其制备方法与实施例一相同，经试验验证，800℃高温极限抗拉强度可达563MPa，其高温力学性能优于目前几种现有的钛铝合金系的高温力学性能。

实施例四，一种高温钛铝合金，按原子百分比计包括如下组分：42％的Al，4％的Nb， 2.5％的Mo，3％的Cr，余量为Ti，其制备方法与实施例一相同，经试验验证，其高温力学性能优于目前几种现有的钛铝合金系的高温力学性能。

实施例五，一种高温钛铝合金，按原子百分比计包括如下组分：43％的Al，7％的Nb， 3％的Mo，5％的Cr，余量为Ti，其制备方法与实施例一相同，经试验验证，其高温力学性能优于目前几种现有的钛铝合金系的高温力学性能。

实施例六，一种高温钛铝合金，按原子百分比计包括如下组分：40％的Al，5％的Nb， 3％的Mo，1％的Cr，余量为Ti，其制备方法与实施例一相同，经试验验证，其高温力学性能优于目前几种现有的钛铝合金系的高温力学性能。

Claims

1.一种高温钛铝合金，其特征在于，按原子百分比计包括如下组分：40～46％的Al，4～8％的Nb，1～3％的Mo，1～4％的Cr，余量为Ti。

2.根据权利要求1所述的高温钛铝合金，其特征在于，按原子百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，余量为Ti。

3.一种高温钛铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，称料，按照权利要求1或2所述的元素组分原子百分比称取海绵钛、体积≤6cm³的铝块、铬粉、铝铌中间合金和铝钼中间合金；

S3，熔炼，在熔炼炉真空度为7mbar及以下的条件下，熔炼炉以速度为10～25kW/min加载功率至260～300kW，加热至坩埚内的混合材料完全熔化，在熔化温度下保温20～25min，浇铸得到强韧化钛铝基复合材料。

4.根据权利要求3所述的高温钛铝合金的制备方法，其特征在于：所述S3中的熔化温度为1540～1680℃。

5.根据权利要求3或4所述的高温钛铝合金的制备方法，其特征在于：所述S1中铬粉的纯度≥99.99wt.％，铝铌中间合金中Nb的质量分数为50～54％，铝钼中间合金中的Mo的质量分数为48～52％。