CN117286383A - 用于改善抗氧化性和结构稳定性的耐热复合浓合金 - Google Patents
用于改善抗氧化性和结构稳定性的耐热复合浓合金 Download PDFInfo
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Abstract
本公开涉及用于改善抗氧化性和结构稳定性的耐热复合浓合金。所述耐热复合浓合金包含约12至22重量％铬(Cr)、约22至35重量％钼(Mo)、约15至50重量％钽(Ta)、约10至20重量％钛(Ti)和铝(Al)。所述耐热复合浓合金的特征在于，基体相具有体心立方晶体结构。
Description
技术领域
本公开涉及耐热复合浓合金。
背景技术
航空航天部件通常由铝和钛类钢材制造，因为它们具有有利的材料性质。航空航天工业中使用的当前材料在极端环境下的长期耐用性方面面临挑战。
对于服役可靠性，材料需要表现出一定水平的对环境、氧化或其他的抗性以及结构稳定性。然而，几乎没有材料解决方案可以解决在适用于极端环境换热器的温度、气氛、机械应力和工作流体相互作用的综合条件下的材料性能的这种挑战。
因此，本领域技术人员在用于制造航空航天部件的先进材料领域继续进行研究和开发工作。
发明内容
公开了一种耐热复合浓合金。
在一个实例中，所述耐热复合浓合金包含约12至22重量％铬(Cr)、约22至35重量％钼(Mo)、约15至50重量％钽(Ta)、约10至20重量％钛(Ti)和铝(Al)。所述耐热复合浓合金的特征在于，基体相具有体心立方晶体结构。
还公开了制造飞行器部件的方法，所述部件包含耐热复合浓合金，所述合金包含：约12至22重量％铬(Cr)、约22至35重量％钼(Mo)、约15至50重量％钽(Ta)、约10至20重量％钛(Ti)和铝(Al)。所述耐热复合浓合金的特征在于，基体相具有体心立方晶体结构。
在一个实例中，该方法包括通过电弧熔炼或粉末固结中的一种形成包含耐热复合浓合金的部件。
根据以下详细说明、附图和所附权利要求，将明白所公开的耐热复合浓合金和方法的其他实例。
附图说明
图1A是退火的AlCrMoTaTi、Al0.75CrMoTaTi和AlCrMoTa0.75Ti合金的x射线衍射图；
图1B是退火的Al0.25Cr1.32Mo1.32Ta0.8Ti1.32、Al0.75Cr1.27Mo1.27Ta0.45Ti1.27和Al0.75Cr1.15Mo1.15Ta0.8Ti1.15合金的X射线衍射图；
图2是各种耐热复合浓合金的热分析图；
图3是Al0.75Cr1.27Mo1.27Ta0.45Ti1.27合金的相图；
图4是Al0.25Cr1.32Mo1.32Ta0.8Ti1.32合金的相图；
图5是AlCrMoTaTi合金的相图；
图6是Al0.75Cr1.15Mo1.15Ta0.8Ti1.15合金的相图；
图7是Al0.75CrMoTaTi合金的相图；
图8是AlCrMoTa0.75Ti合金的相图；
图9是AlxCrMoTaTi合金在1000℃时的等值线；
图10是AlCrMoTayTi合金在1000℃时的等值线；
图11是制造飞行器部件的方法的流程图；
图12是飞行器制造和服役方法的流程图；
图13是飞行器的实例的示意性框图。
具体实施方式
下面的详细说明参照附图，其示出了本公开描述的具体实例。具有不同结构和操作的其他实例不脱离本公开的范围。相似的附图标记可指代不同附图中的相同特征、要素或部件。
下面提供了本公开的主题的说明性的、非穷举的实例，其可以是但不一定是要求保护的。本文中对“实例”的提及是指结合该实例描述的一个或多个特征、结构、要素、部件、特性和/或操作步骤包含在本公开的主题的至少一个方面、实施方式和/或实施中。因此，整个本公开中的短语“一个实例”、“另一实例”、“一个或多个实例”和类似的语言可以但不一定指代相同的实例。此外，特征为任何一个实例的主题可以但不一定包括特征为任何其他实例的主题。此外，特征为任何一个实例的主题可以但不一定与特征为任何其他实例的主题组合。
公开了一种耐热复合浓合金100。耐热复合浓合金100的特征可在于预期最终用途所需的各种组成和材料以及机械性能。在一个实例中，所述耐热复合浓合金100的特征在于，基体相具有体心立方晶体结构，在一个或多个实例中，当所述耐热复合浓合金承受约1000℃至约1500℃的温度时获得所述基体相的体心立方晶体结构。
耐热复合浓合金100可以由理论上适用于提高金属部件在极端航空航天环境中的性能的抗氧化性和结构稳定性的合金组成的范围来定义。根据熵的水平和特定元素的贡献，本文公开的组成可以基本上分类为高熵合金或复合浓合金。本公开中提出的主要实例将是耐热复合浓合金100，其在高温下表现出单相稳定性，并且表现出优异的抗氧化性。本公开适用于开发用于先进换热器的新型金属材料。
在一个实例中，耐热复合浓合金100的特征可以为AlCrMoTaTi合金的变体。在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征可以为Al0.75CrMoTaTi、AlCrMoTa0.75Ti、Al0.25Cr1.32Mo1.32Ta0.8Ti1.32、Al0.75Cr1.27Mo1.27Ta0.45Ti1.27和Al0.75Cr1.15Mo1.15Ta0.8Ti1.15中的一种或多种。
在一个实例中，所述耐热复合浓合金100包含约12至22重量％铬(Cr)、约22至35重量％钼(Mo)、约15至50重量％钽(Ta)、约10至20重量％钛(Ti)和铝(Al)。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约13重量％至约21重量％存在，钼(Mo)以约24重量％至约34重量％存在，钽(Ta)以约20重量％至约45重量％存在，钛(Ti)以约12重量％至约19重量％存在，铝(Al)以约1重量％至约10重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约12重量％至约16重量％存在，钼(Mo)以约22重量％至约27重量％存在，钽(Ta)以约40重量％至约50重量％存在，钛(Ti)以约10重量％至约16重量％存在，铝(Al)以约2重量％至约8重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约12重量％至约14重量％存在，钼(Mo)以约23重量％至约26重量％存在，钽(Ta)以约43重量％至约47重量％存在，钛(Ti)以约12重量％至约14重量％存在，并且铝(Al)以约3重量％至约6重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约12重量％至约20重量％存在，钼(Mo)以约24重量％至约30重量％存在，钽(Ta)以约30重量％至约40重量％存在，钛(Ti)以约12重量％至约18重量％存在，铝(Al)以约4重量％至约10重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约13重量％至约18重量％存在，钼(Mo)以约25重量％至约28重量％存在，钽(Ta)以约33重量％至约38重量％存在，钛(Ti)以约13重量％至约17重量％存在，铝(Al)以约6重量％至约9重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约13重量％至约21重量％存在，钼(Mo)以约25重量％至约35重量％存在，钽(Ta)以约30重量％至约40重量％存在，钛(Ti)以约12重量％至约18重量％存在，铝(Al)以约1重量％至约5重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约14重量％至约19重量％存在，钼(Mo)以约27重量％至约33重量％存在，钽(Ta)以约32重量％至约38重量％存在，钛(Ti)以约14重量％至约18重量％存在，铝(Al)以约1重量％至约4重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约15重量％至约22重量％存在，钼(Mo)以约28重量％至约35重量％存在，钽(Ta)以约15重量％至约26重量％存在，钛(Ti)以约15重量％至约20重量％存在，铝(Al)以约2重量％至约10重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约18重量％至约22重量％存在，钼(Mo)以约30重量％至约35重量％存在，钽(Ta)以约16重量％至约25重量％存在，钛(Ti)以约16重量％至约20重量％存在，铝(Al)以约3重量％至约9重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约14重量％至约20重量％存在，钼(Mo)以约24重量％至约32重量％存在，钽(Ta)以约25重量％至约45重量％存在，钛(Ti)以约11重量％至约19重量％存在，铝(Al)以约2重量％至约9重量％存在。
在另一个实例中，耐热复合浓合金100的特征在于下述组成：铬(Cr)以约15重量％至约19重量％存在，钼(Mo)以约25重量％至约30重量％存在，钽(Ta)以约30重量％至约35重量％存在，钛(Ti)以约14重量％至约18重量％存在，铝(Al)以约3重量％至约8重量％存在。
耐热复合浓合金100的特征可在于，由所选组成、耐热复合浓合金100的机械加工、耐热复合浓合金100的热处理及其组合产生的各种材料和机械性能。
关于本文公开的耐热复合浓合金100的各种组成的晶体结构、化学组成和物理性质的详细信息在图1A-1B中示出。具体而言，图1A是AlCrMoTaTi合金、Al0.75CrMoTaTi合金和AlCrMoTa0.75Ti合金的x射线衍射图。图1B是Al0.25Cr1.32Mo1.32Ta0.8Ti1.32合金、Al0.75Cr1.27Mo1.27Ta0.45Ti1.27合金和Al0.75Cr1.15Mo1.15Ta0.8Ti1.15合金的X射线衍射图。
图2示出了本文公开的耐热复合浓合金100的各种组成的热分析图。图3至10示出了本文公开的耐热复合浓合金100的各种组成的各种相图。虽然耐热复合浓合金100的特征在于具有体心立方晶体结构，但在暴露于各种温度时可能存在其他晶体结构和相。
具体而言，图3是Al0.75Cr1.27Mo1.27Ta0.45Ti1.27合金的相图，该合金在达到约1000℃时具有约80％的体心立方晶体结构，在达到约1200℃时具有约100％的体心立方晶体结构。
图4是Al0.25Cr1.32Mo1.32Ta0.8Ti1.32合金的相图，该合金在达到约1000℃时具有约55％的体心立方晶体结构和约45％的拉弗斯(laves)六方MgZn2(C14)晶体结构，在达到约1200℃时具有约100％的体心立方晶体结构。
图5是AlCrMoTaTi合金的相图。图6是Al0.75Cr1.15Mo1.15Ta0.8Ti1.15合金的相图，该合金在达到约1400℃时具有约100％的体心立方晶体结构。Al0.75Cr1.15Mo1.15Ta0.8Ti1.15合金在约1400℃时还表现出受到抑制的σ(sigma)发作。
图7是Al0.75CrMoTaTi合金的相图，该合金在达到约1600℃时具有约100％的体心立方晶体结构。图8是AlCrMoTa0.75Ti合金的相图，该合金在达到约1700℃时具有约100％的体心立方晶体结构。
图9是AlxCrMoTaTi合金在1000℃时的相图，其具有基于组成中存在的Al的摩尔百分比而存在的各种相。类似地，图10是AlCrMoTayTi合金在1000℃时的相图，其具有基于组成中存在的Ta的摩尔百分比而存在的各种相。
参见图11，在一个或多个实例中，公开了一种制造飞行器1102的部件300的方法200。该部件包含具有约12至22重量％铬(Cr)、约22至35重量％钼(Mo)、约15至50重量％钽(Ta)、约10至20重量％钛(Ti)和铝(Al)的耐热复合浓合金100。其中，所述耐热复合浓合金的特征在于，基体相具有体心立方晶体结构。方法200包括形成210包含耐热复合浓合金的部件300的步骤。在一个实例中，形成210可以通过电弧熔炼212来进行，其中，将适量的材料装入坩埚中并在电弧炉中熔炼。在另一个实例中，形成210可以通过粉末固结214来进行，其中，将适量的粉末材料压实并烧结(例如，通过热等静压)。仍然参见图11，在一个或多个实例中，方法200还包括在形成210之后对部件300进行热处理220以获得期望的材料性质和材料晶体结构的步骤。在一个实例中，部件300是航空航天制品。在另一个实例中，部件300是飞行器部件。
实施例
制备公开的Al0.75CrMoTaTi、AlCrMoTa0.75Ti、Al0.25Cr1.32Mo1.32Ta0.8Ti1.32、Al0.75Cr1.27Mo1.27Ta0.45Ti1.27和Al0.75Cr1.15Mo1.15Ta0.8Ti1.15合金的样品并测定。测得的化学性质提供在表1中。
表1
可以在如图12所示的飞行器制造和服役方法1100和如图13所示的飞行器1102的语境中说明本公开的实例。在生产前期间，服役方法1100可以包括飞行器1102的规格和设计(框1104)和材料采购(框1106)。在生产期间，可以进行飞行器1102的部件和子组件制造(框1108)和系统整合(框1110)。此后，飞行器1102可以进行认证和交付(框1112)以投入服役(框1114)。在服役中，飞行器1102可以安排例行维护和保养(框1116)。例行维护和保养可包括飞行器1102的一个或多个系统的修改、重新配置、翻新等。
服役方法1100的各个过程可以由系统整合商、第三方和/或运营商(例如，客户)进行或实施。出于本说明的目的，系统整合商可以包括但不限于任何数量的飞机制造商和主要系统分包商；第三方可包括但不限于任何数量的销售商、分包商和供应商；运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。
如图13所示，由服役方法1100生产的飞行器1102可以包括具有多个高级系统1120和内部1122的机身1118。高级系统1120的实例包括推进系统1124、电气系统1126、液压系统1128和环境系统1130中的一个或多个。可以包括任何数量的其他系统。尽管示出了航空航天实例，但是本文公开的原理可以应用于其他行业，例如汽车行业。因此，除了飞行器1102之外，本文公开的原理可以应用于其他交通工具，例如陆地交通工具、海上交通工具、太空交通工具等。
可以在制造和服役方法1100的任何一个或多个阶段期间采用本文所示或所述的耐热复合浓合金和方法。例如，对应于部件和子组件制造(框1108)的部件或子组件可以以类似于在飞行器1102服役(框1114)时生产的部件或子组件的方式生产或制造。此外，在部件和子组件制造阶段(框1108)和系统整合(框1110)期间可以使用耐热复合浓合金和方法的一个或多个实例或其组合，例如，通过显著加快飞行器1102的组装或降低飞行器1102的成本。类似地，例如但不限于，在飞行器1102服役(框1114)时和/或在维护和保养(框1116)期间，可以利用所述系统或方法实施的一个或多个实例或其组合。
本文公开的耐热复合浓合金和方法的不同实例包括各种成分、特征和功能。应当理解，本文公开的耐热复合浓合金和方法的各种实例可以包括任何组合的本文公开的耐热复合浓合金和方法的任何其他实例的任何成分、特征和功能，并且所有这些可能性应在本公开的范围内。
受益于前述说明和相关附图中呈现的教导，本公开所属领域的技术人员将想到本文阐述的实例的许多修改。
此外，本公开包括根据以下条款的示例：
1.一种耐热复合浓合金(100)，其包含：
约12至22重量％铬(Cr)；
约22至35重量％钼(Mo)；
约15至50重量％钽(Ta)；
约10至20重量％钛(Ti)；和
铝(Al)，
其中，所述耐热复合浓合金的特征在于，基体相具有体心立方晶体结构。
2.如条款1所述的耐热复合浓合金(100)，其中，铝(Al)以约1重量％至约10重量％存在。
3.如条款1或2所述的耐热复合浓合金(100)，其中，铬(Cr)以约13重量％至约21重量％存在。
4.如条款1至3中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中，钼(Mo)以约24重量％至约34重量％存在。
5.如条款1至4中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中，钽(Ta)以约20重量％至约45重量％存在。
6.如条款1至5中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中，钛(Ti)以约12重量％至约19重量％存在。
7.如条款1至6中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约12重量％至约16重量％存在；
钼(Mo)以约22重量％至约27重量％存在；
钽(Ta)以约40重量％至约50重量％存在；
钛(Ti)以约10重量％至约16重量％存在；并且
铝(Al)以约2重量％至约8重量％存在。
8.如条款1至7中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约12重量％至约14重量％存在；
钼(Mo)以约23重量％至约26重量％存在；
钽(Ta)以约43重量％至约47重量％存在；
钛(Ti)以约12重量％至约14重量％存在；并且
铝(Al)以约3重量％至约6重量％存在。
9.如条款1至8中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约12重量％至约20重量％存在；
钼(Mo)以约24重量％至约30重量％存在；
钽(Ta)以约30重量％至约40重量％存在；
钛(Ti)以约12重量％至约18重量％存在；并且
铝(Al)以约4重量％至约10重量％存在。
10.如条款1至9中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约13重量％至约18重量％存在；
钼(Mo)以约25重量％至约28重量％存在；
钽(Ta)以约33重量％至约38重量％存在；
钛(Ti)以约13重量％至约17重量％存在；并且
铝(Al)以约6重量％至约9重量％存在。
11.如条款1至10中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约13重量％至约21重量％存在；
钼(Mo)以约25重量％至约35重量％存在；
钽(Ta)以约30重量％至约40重量％存在；
钛(Ti)以约12重量％至约18重量％存在；并且
铝(Al)以约1重量％至约5重量％存在。
12.如条款1至11中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约14重量％至约19重量％存在；
钼(Mo)以约27重量％至约33重量％存在；
钽(Ta)以约32重量％至约38重量％存在；
钛(Ti)以约14重量％至约18重量％存在；并且
铝(Al)以约1重量％至约4重量％存在。
13.如条款1至12中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约15重量％至约22重量％存在；
钼(Mo)以约28重量％至约35重量％存在；
钽(Ta)以约15重量％至约26重量％存在；
钛(Ti)以约15重量％至约20重量％存在；并且
铝(Al)以约2重量％至约10重量％存在。
14.如条款1至13中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约18重量％至约22重量％存在；
钼(Mo)以约30重量％至约35重量％存在；
钽(Ta)以约16重量％至约25重量％存在；
钛(Ti)以约16重量％至约20重量％存在；并且
铝(Al)以约3重量％至约9重量％存在。
15.如条款1至14中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约14重量％至约20重量％存在；
钼(Mo)以约24重量％至约32重量％存在；
钽(Ta)以约25重量％至约45重量％存在；
钛(Ti)以约11重量％至约19重量％存在；并且
铝(Al)以约2重量％至约9重量％存在。
16.如条款1至15中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约15重量％至约19重量％存在；
钼(Mo)以约25重量％至约30重量％存在；
钽(Ta)以约30重量％至约35重量％存在；
钛(Ti)以约14重量％至约18重量％存在；并且
铝(Al)以约3重量％至约8重量％存在。
17.如条款1至16中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中，当所述耐热复合浓合金承受约1000℃至约1500℃的温度时获得所述基体相的体心立方晶体结构。
18.如条款1至17中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其具有约625至约750VHN的室温硬度。
19.由条款1至18中任一项所述的耐热复合浓合金(100)形成的航空航天制品。
20.一种飞行器部件(300)，其包含条款1至18中任一项所述的耐热复合浓合金(100)。
21.一种制造飞行器部件(300)的方法(200)，所述部件包含耐热复合浓合金(100)，所述合金包含：约12至22重量％铬(Cr)；约22至35重量％钼(Mo)；约15至50重量％钽(Ta)；约10至20重量％钛(Ti)；和铝(Al)，其中，所述耐热复合浓合金(100)的特征在于，基体相具有体心立方晶体结构，所述方法包括：
通过电弧熔炼(212)和粉末固结(214)中的一种形成(210)包含所述耐热复合浓合金(100)的部件(300)。
22.如条款21所述的方法，其还包括在形成(210)之后对所述部件(300)进行热处理(220)。
因此，应当理解，本公开不限于所示出的具体实例，修改和其他实例应包括在所附权利要求的范围内。此外，虽然前述说明和相关附图在要素和/或功能的某些说明性组合的语境中描述了本公开的实例，但是应当理解，要素和/或功能的不同组合可以由替代实施方式提供而不脱离所附权利要求的范围。因此，所附权利要求中带括号的附图标记仅出于说明目的而给出，并不旨在将要求保护的主题的范围限制为本公开中提供的具体实例。
Claims (10)
1.一种耐热复合浓合金(100)，其包含：
约12至22重量％铬(Cr)；
约22至35重量％钼(Mo)；
约15至50重量％钽(Ta)；
约10至20重量％钛(Ti)；和
铝(Al)，
其中，所述耐热复合浓合金的特征在于，基体相具有体心立方晶体结构。
2.如权利要求1所述的耐热复合浓合金(100)，其中，铝(Al)以约1重量％至约10重量％存在。
3.如权利要求1所述的耐热复合浓合金(100)，其中，铬(Cr)以约13重量％至约21重量％存在。
4.如权利要求1所述的耐热复合浓合金(100)，其中，钼(Mo)以约24重量％至约34重量％存在。
5.如权利要求1所述的耐热复合浓合金(100)，其中，钽(Ta)以约20重量％至约45重量％存在。
6.如权利要求1至5中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中，钛(Ti)以约12重量％至约19重量％存在。
7.如权利要求1所述的耐热复合浓合金(100)，其中：
铬(Cr)以约12重量％至约16重量％存在；
钼(Mo)以约22重量％至约27重量％存在；
钽(Ta)以约40重量％至约50重量％存在；
钛(Ti)以约10重量％至约16重量％存在；并且
铝(Al)以约2重量％至约8重量％存在。
8.如权利要求1至7中任一项所述的耐热复合浓合金(100)，其中，当所述耐热复合浓合金承受约1000℃至约1500℃的温度时获得所述基体相的体心立方晶体结构，并且所述耐热复合浓合金具有约625至约750VHN的室温硬度。
9.一种飞行器部件(300)，其包含权利要求1至8中任一项所述的耐热复合浓合金(100)。
10.一种制造飞行器部件(300)的方法(200)，所述部件包含耐热复合浓合金(100)，所述合金包含：约12至22重量％铬(Cr)；约22至35重量％钼(Mo)；约15至50重量％钽(Ta)；约10至20重量％钛(Ti)；和铝(Al)，其中，所述耐热复合浓合金(100)的特征在于，基体相具有体心立方晶体结构，所述方法包括：
通过电弧熔炼(212)和粉末固结(214)中的一种形成(210)包含所述耐热复合浓合金(100)的部件(300)。
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| US202217808629A | 2022-06-24 | 2022-06-24 | |
| US17/808,629 | 2022-06-24 |
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| Publication Number | Publication Date |
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|---|---|---|---|
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| CN (1) | CN117286383A (zh) |
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| CN111304512B (zh) * | 2020-03-30 | 2021-09-10 | 中国科学院物理研究所 | 一种中高熵合金材料、其制备方法及应用 |
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2023
- 2023-02-06 EP EP23155029.4A patent/EP4296391A1/en active Pending
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