CN112899525B

CN112899525B - 一种钛基多主元合金

Info

Publication number: CN112899525B
Application number: CN202110065535.7A
Authority: CN
Inventors: 刘宏武; 高帆; 冯像征; 李臻熙
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: CN112899525A

Abstract

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种钛基多主元合金。采用钛、铝、铬、铌四种合金元素作为主要合金元素，按原子百分含量含有：70％～50％Ti、13％～28％Al、8％～11％Cr、10％～15％Nb、0～2％Zr、0～0.5％Ta、0～0.5％W，0～2.0％Si，余量为不可避免的杂质。合金密度在4.6g/cm³～5.2g/cm³范围内，比传统的镍基高温合金密度低35％以上，替代传统的镍基合金可以实现显著的结构减重效果。其在650℃～850℃抗氧化性能优异，同时具有良好的力学性能，在航空发动机高温结构件上具有很好的应用潜力。

Description

一种钛基多主元合金

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种钛基多主元合金。

背景技术

在航空发动机材料领域，根据风扇、压气机、涡轮等部件服役温度差异，选用不同的结构材料。通常在中低温段(室温～600℃)的风扇和压气机部位主要采用钛合金材料，钛合金的密度在4.4g/cm³～4.6g/cm³，主要部件类型包括盘类、叶片类、机匣类；而在高温段(650℃～1200℃)的涡轮位置则主要使用镍基高温合金材料，镍基合金的密度在8.2g/cm³以上。

传统单主元的钛合金最高使用温度在650℃以下，主要受限于其在更高温度下的抗高温氧化性能和高温强度不能满足服役要求。针对航空发动机结构减重的迫切需求，采用轻质耐高温的新型合金替代传统的镍基高温合金意义重大。

开发在650℃以上温度使用的钛基合金一直是航空发动机材料研究的重要方向。国内外研究者开发了钛基的金属间化合物，主要包括γ-TiAl合金、Ti3Al合金和Ti2AlNb合金，其中Ti3Al和Ti2AlNb合金的主合金元素均为Ti、Al、Nb，其设计使用温度在650℃～750℃，该合金密度在4.8g/cm³～5.4g/cm³，目前性能比较优异的Ti2AlNb合金中Nb含量在22％～25％之间，Nb元素的原材料成本较高，造成了合金制备成本高，同时，过高的Nb含量使得该类合金在800℃以上温度不能达到完全抗氧化级别，故很难在更高温度服役，该类合金在国内外尚未获得应用，国内处于应用研究阶段。γ-TiAl合金的服役温度在700℃～850℃之间，主合金元素为Ti、Al，该合金密度在3.9g/cm³～4.2g/cm³，在850℃及以下温度完全抗氧化，已经在国外多型主流航空发动机上获得应用，但是由于其热加工窗口窄造成加工成本高，且室温塑性较差(室温断后伸长率0.5～2.5％)，故其目前只作为低压涡轮或高压压气机叶片部件使用。

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，在结构材料、功能材料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。

基于现有高温钛合金、钛基金属间化合物的分析和大量其它体系合金的公开报道，发现目前在650℃～850℃范围内，缺少一种可以在该温度段同时具有低密度、优异抗氧化性能、力学性能优异的高温结构材料。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。

本专利提出的材料是针对航空航天等高温环境(≤850℃)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：提供一种钛基多主元合金，以补充现有钛基合金在650℃～850℃温度段使用的不足，获得同时具有低密度、高比强度、抗高温氧化性能优异的合金材料。作为航空航天备选的高温结构材料，实现显著的结构减重。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：。

一种钛基多主元合金，所述的多主元合金材料按原子百分含量含有：70％～50％Ti、13％～28％Al、8％～11％Cr、10％～15％Nb、0～2％Zr、0～0.5％Ta、0～0.5％W，0～2.0％Si，余量为不可避免的杂质。

所述的钛基多主元合金，合金密度在4.6g/cm³～5.2g/cm³，根据行业标准，在850℃及以下温度抗氧化。

所述的的钛基多主元合金，可在650℃～850℃长期使用。

优选地，所述的钛基多主元合金按原子百分含量含有：70％～50％Ti、18％～25％Al、8％～10％Cr、10％～13％Nb、0～2％Zr、0～0.5％Ta、0～0.5％W，0～2.0％Si，余量为不可避免的杂质。

优选地，所述的钛基多主元合金按原子百分含量含有：60％～50％Ti、23％～28％Al、8％～9％Cr、10％～13％Nb、0～2％Zr、0～0.5％Ta、0～0.5％W，0～2.0％Si，余量为不可避免的杂质。

优选地，所述的钛基多主元合金按原子百分含量含有：55％Ti、25％Al、10％Cr、10％Nb，余量为不可避免的杂质。

优选地，所述的钛基多主元合金按原子百分含量含有：60％Ti、15％Al、10％Cr、15％Nb，余量为不可避免的杂质。

优选地，所述的钛基多主元合金按原子百分含量含有：63.7％Ti、13％Al、10％Cr、10％Nb、2％Zr、0.3％Ta、0.2％W、0.8％Si，余量为不可避免的杂质。

优选地，所述的钛基多主元合金按原子百分含量含有：54％Ti、28％Al、8％Cr、10％Nb，余量为不可避免的杂质。

优选地，所述的钛基多主元合金按原子百分含量含有：51％Ti、28％Al、8％Cr、10％Nb、2％Zr、0.2％W、0.8％Si，余量为不可避免的杂质。

所述的钛基多主元合金的制备采用真空电弧熔炼的方法或感应熔炼的方法。

所述的钛基多主元合金的变形加工采用锻造、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、铬、铌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4.6g/cm³～5.2g/cm³范围内，比传统的相同使用温度的镍基高温合金密度低35％以上，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100kg级以上的合金铸锭，易于工业化生产。

(3)本发明提供的多主元合金通过Al、Cr、Nb、Ti元素的综合控制，使其在850℃及以下完全抗氧化，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)与现有相同温度段使用的其它合金相比，成本较低，易于推广应用。一方面，从合金原材料成本方面考虑，本发明提供的钛基多主元合金以钛、铝、铬、铌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；另一方面，本发明的钛基多主元合金热加工性能优异，加工制备成本与传统钛合金相近，明显优于钛基金属间化合物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1、实施例2、实施例3在850℃/100小时条件下的形貌；

图2为实施例2合金在650℃、750℃、850℃保温100小时氧化增重曲线；

图3为实施例1、2、3合金与IN718合金比强度对比。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

在各个附图和下面的描述中，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：

钛基多主元合金，按原子百分含量含有：55％Ti、25％Al、10％Cr、10％Nb，原材料采用了零级海绵钛、99.9％的纯铬、A00级高纯铝、Ti-Nb60中间合金等。

本实施例的钛基多主元合金材料通过下述步骤制备：

步骤(1)：按照获得重量50kg铸锭配置原材料，准确称取各原材料；

步骤(2)：压制电极，将海绵钛、99.9％的纯铬、Ti-Nb60合金混合均匀，铝豆分层整体均匀放入，原材料完全放入电极模具后，压制电极；

步骤(3)：采取炉内焊接的方式进行电极组焊，四支电极为一组；

步骤(4)：熔炼真空度＜0.5Pa，熔炼电流根据锭型尺寸控制在3kA～6kA范围内，熔炼电压20～30V；

步骤(5)：重复步骤(4)三次后，炉内冷却120分钟，出炉获得合金铸锭；

步骤(6)：将多主元合金铸锭进行两次挤压加工，挤压温度分别为1050℃、950℃，总挤压比12:1，挤压变形后将棒材空冷至室温，然后将棒材在870℃进行退火处理。

经测试，合金的密度为4.72g/cm³；在850℃空气炉中，保温100h后，为完全抗氧化级，氧化后形貌见附图1。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1的拉伸性能

测试温度	σ<sub>0.2</sub>(MPa)	σ<sub>b</sub>(MPa)	A(％)
				23℃	1020	1105	4.5
650℃	850	1050	5.5
				850℃	525	620	42.0

实施例2：

钛基多主元合金，按原子百分含量含有：60％Ti、15％Al、10％Cr、15％Nb，原材料采用了零级海绵钛、99.9％的纯铬、A00级高纯铝、Ti-Nb60中间合金等。

本实施例的钛基多主元合金材料通过下述步骤制备：

经测试，合金的密度为5.15g/cm³；在850℃空气炉中，保温100h后，为完全抗氧化级，氧化后形貌见附图1，氧化增重曲线见附图2，可以看到氧化增重速度均小于0.01mg/(cm²h)，实测氧化脱皮量均在完全抗氧化级范围内，因此该合金在650℃到850℃为完全抗氧化级。棒材轴向取拉伸试样进行力学性能测试，测试结果见表2。

表2实施例2的拉伸性能

实施例3：

钛基多主元合金，按原子百分含量含有：63.7％Ti、13％Al、10％Cr、10％Nb、2％Zr、0.3Ta、0.2W、0.8Si，原材料采用了零级海绵钛、99.9％的纯铬、A00级高纯铝、Ti-Nb60中间合金、海绵锆、Al-Ta中间合金、细钨粉、Al-Si中间合金等。

本实施例的钛基多主元合金材料通过下述步骤制备：

步骤(1)：按照获得重量100kg铸锭配置原材料，准确称取各原材料；

步骤(2)：压制电极，将海绵钛、99.9％的纯铬、Ti-Nb60合金混合均匀，其余原材料放入合金包中，铝豆均匀放入，原材料完全放入电极模具后，压制电极；

经测试，合金的密度为5.07g/cm³；在850℃空气炉中，保温100h后，为完全抗氧化级，氧化后形貌见附图1。棒材轴向取拉伸试样进行力学性能测试，测试结果见表3。

表3实施例3的拉伸性能

附图1是实施例1、2、3三种合金在850℃保温100小时后的截面组织形貌，可以看出，氧化层致密、均匀地分布在基体外表面，且与基体紧密连接，起到了很好的防止基体继续氧化的作用，使得合金表现出了优异的抗高温氧化性能。

附图3是实施例1、2、3合金比强度与镍基718合金的对比，发现在室温到850℃范围内，上述实施例1、2、3中合金的比强度与传统镍基高温合金相比具有很大优势。

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

1.一种钛基多主元合金，其特征在于：所述的多主元合金材料按原子百分含量由70％～50％Ti、13％～28％Al、8％～11％Cr、10％～15％Nb、0＜Zr≤2％、0＜Ta≤0.5％、0＜W≤0.5％、0＜Si≤2.0％以及不可避免的杂质组成。

2.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金按原子百分含量由70％～50％Ti、18％～25％Al、8％～10％Cr、10％～13％Nb、0＜Zr≤2％、0＜Ta≤0.5％、0＜W≤0.5％、0＜Si≤2.0％以及不可避免的杂质组成。

3.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金按原子百分含量由60％～50％Ti、23％～28％Al、8％～9％Cr、10％～13％Nb、0＜Zr≤2％、0＜Ta≤0.5％、0＜W≤0.5％、0＜Si≤2.0％以及不可避免的杂质组成。

4.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金按原子百分含量由55％Ti、25％Al、10％Cr、10％Nb，以及不可避免的杂质组成。

5.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金按原子百分含量由60％Ti、15％Al、10％Cr、15％Nb，以及不可避免的杂质组成。

6.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金按原子百分含量由63.7％Ti、13％Al、10％Cr、10％Nb、2％Zr、0.3％Ta、0.2％W、0.8％Si，以及不可避免的杂质组成。

7.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金按原子百分含量由54％Ti、28％Al、8％Cr、10％Nb，以及不可避免的杂质组成。

8.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金按原子百分含量由51％Ti、28％Al、8％Cr、10％Nb、2％Zr、0.2％W、0.8％Si，以及不可避免的杂质组成。

9.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金中合金密度在4.6g/cm³～5.2g/cm³，在850℃及以下温度完全抗氧化。

10.根据权利要求1所述的钛基多主元合金，其特征在于：所述的钛基多主元合金的制备采用真空电弧熔炼的方法或感应熔炼的方法。