CN1265006C - 一种钛镍铝钼高温合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛镍铝钼高温合金材料，该合金材料由50at%～60at%的钛(Ti)、35at%～50at%的镍(Ni)、1at%～15at%的铝(Al)和0.5at%～5at%的钼(Mo)组成。该合金材料在室温屈服强度为1100MPa～1900MPa，变形率大于10%；在高温600℃～800℃屈服强度为1150MPa～350MPa，变形率大于25%；抗高温氧化性能在600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.01mg/cm2～7.00mg/cm2；该钛镍铝钼高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm3。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛镍铝钼高温合金材料，通过在钛镍合金中添加Al、Mo元素来提高钛镍合金的室温屈服强度和高温力学性能的一种新型高温合金材料。
背景技术
目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，应用在600℃以上的金属结构材料通常为镍基、铁基和钴基高温合金。这些材料具有较高的密度(一般在8.0g/cm3以上)，所制成的构件和设备重量大，为了减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，必须开发低密度、高比强的新型高温合金以适应相关工业领域未来发展的需要。
二元TiNi合金是一种具有优良力学性能、良好的耐蚀性和生物相容性的金属间化合物，作为形状记忆合金功能材料已经在医学、工业和生活等领域得到广泛的应用。这种合金的密度为6.3g/cm3，比镍基、铁基和钴基高温合金低20％左右。
在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al、Mo元素来提高合金的室温屈服强度和高温力学性能，开发出新型的低密度、高强度高温合金替代传统高温合金，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。
发明内容
本发明的目的是提出一种低密度、高强度TiNiAlMo高温合金材料，该TiNiAlMo高温合金作为结构材料在高温使用，可以替代传统的高密度镍基、铁基和钴基高温合金材料，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。
本发明的一种钛镍铝钼高温合金材料，由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～15at％的铝(Al)和0.5at％～5at％的钼(Mo)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
所述的钛镍铝钼高温合金材料，也可以由50at％～60at％的钛(Ti)、40at％～50at％的镍(Ni)、4at％～10at％的铝(Al)和0.5at％～5at％的钼(Mo)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
所述的钛镍铝钼高温合金材料，其组份为Ti50Ni41.5Al8Mo0.5或者Ti53Ni40Al5Mo2。
所述的钛镍铝钼高温合金材料，在温度18℃屈服强度为1100MPa～1900MPa，变形率大于10％；在高温600℃～800℃屈服强度为1150MPa～350MPa，变形率大于25％；抗高温氧化性能在600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.01mg/cm2～7.00mg/cm2；该钛镍铝钼高温合金材料密度为5.60～5.90g/cm3。
本发明的一种钛镍铝钼高温合金材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)按配比称取纯度为99.9％的钛(Ti)、纯度为99.9％的镍(Ni)、纯度为99.9％的铝(Al)和纯度为99.9％的钼(Mo)；
(2)将上述称取的Ti、Ni、Al、Mo原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2700℃～3000℃熔炼成TiNiAlMo高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlMo高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度850℃～900℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高温合金材料。
本发明TiNiAlMo高温合金材料的优点：(1)在TiNiAl合金基础上，通过添加高纯度Mo元素来提高合金的室温和高温力学性能，这类合金密度为5.20～6.30g/cm3，室温屈服强度为1200～1900MPa，塑性大于12％，在600℃～800℃之间屈服强度为1150MPa～350MPa，变形率大于25％；抗高温氧化性能在600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.01mg/cm2～7.00mg/cm2；(2)该TiNiAlMo高温合金材料与具有相同Al原子百分比的TiNiAl高温合金相比，在600℃～800℃之间具有更高的屈服强度。
附图说明
图1是Ti50Ni41.5Al8Mo0.5圆柱试样在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃温度下的压缩试验结果曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种钛镍铝钼高温合金材料，由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～15at％的铝(Al)和0.5at％～5at％的钼(Mo)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明的钛镍铝钼高温合金材料，也可以由50at％～60at％的钛(Ti)、40at％～50at％的镍(Ni)、4at％～10at％的铝(Al)和0.5at％～5at％的钼(Mo)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明TiNiAlMo高温合金材料的制备方法和步骤如下：
(1)按配比称取纯度为99.9％的钛、纯度为99.9％的镍、纯度为99.9％的铝和纯度为99.9％的钼；
(2)将上述钛、镍、铝和钼原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2700℃～3000℃熔炼成TiNiAlMo高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlMo高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度850℃～900℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高温合金材料。
采用线切割方法，将上述制得的TiNiAlMo高温合金材料中切取直径d＝6mm，高度h＝9mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用MTS-880型万能材料实验机进行压缩压力-应变测试，压缩应变速率为0.02mm/min，温度范围为室温(18℃)～800℃之间选定的温度点。采用线切割方法切取长L＝10mm，宽W＝5mm，高H＝5mm的长方体样品作为密度和抗高温氧化性能测试样品，测量样品的质量M1，运用公式：ρ＝M1÷(L×W×H)计算合金密度ρ；在600℃～800℃之间选定温度点，将样品置于该温度的静态空气中保持100小时后，测量样品的质量M2，运用公式：X＝(M2-M1)÷2(L×W+H×L+W×H)计算合金的单位表面积氧化增重X，采用精确度为10-4g的电子天平测量样品的质量，使用精确度为10-2mm的游标卡尺测量样品的尺寸。经测试Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高温合金材料在不同温度条件下的各性能参数如下表所示：
| 测试温度℃ | 屈服强度MPa | 变形率％ | 氧化增重mg/cm2 | 密度(ρ)g/cm3 |
| 18 | 1100～1900 | 12～20 | - | 5.20～6.30 |
| 600 | 700～1300 | 30～40 | 0.005～0.01 | |
| 650 | 500～1100 | 30～40 | 0.01～0.02 | |
| 700 | 400～800 | 30～45 | 0.50～1.00 | |
| 800 | 200～500 | 25～35 | 3.00～7.00 |
本发明的Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高温合金材料比二元TiNi合金材料的密度小，其屈服强度、变形率、抗高温氧化能力强，有效地减轻了结构重量，提高了效率，降低了能源消耗，扩展了TiNi基合金材料的使用范围。与具有相同Al原子百分比的TiNiAl高温合金相比，在600℃～800℃之间具有更高的屈服强度。
实施例1：制Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高温合金材料
(1)称取50at％纯度为99.9％的钛、41.5at％纯度为99.9％的镍、8at％纯度为99.9％的铝和0.5at％纯度为99.9％的钼；
(2)将上述钛、镍、铝和钼原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2800℃以上熔炼成TiNiAlMo高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlMo高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa，热处理温度850℃下保温12小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高温合金材料中切取直径d＝6mm，高度h＝9mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用MTS-880型万能材料实验机进行压缩压力-应变测试，压缩应变速率为0.02mm/min，在600℃下测得屈服强度和变形率分别为1100MPa和36％，在650℃下测得屈服强度和变形率分别为900MPa和39％。采用线切割方法切取长L＝10mm，宽W＝5mm，高H＝5mm的长方体样品作为密度和抗高温氧化性能测试样品，测量样品的质量M1＝1.4511g，计算合金密度ρ＝5.80g/cm3；将样品置于600℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.005mg/cm2；将样品置于650℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.015mg/cm2。其它不同温度条件下的状况请参见图1所示。图中示出Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高温合金材料在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃温度下的压缩试验结果。本发明的Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高温合金材料在800℃时的屈服强度最低，而在600℃～800℃之间屈服强度为较佳状态。与具有相同Al子百分比的Ti50Ni42Al8高温合金相比，在600℃～800℃之间具有更高的屈服强度。
实施例2：制Ti53Ni40Al5Mo2高温合金材料
(1)称取53at％纯度为99.9％的钛、40at％纯度为99.9％的镍、5at％纯度为99.9％的铝和2at％纯度为99.8％的钼；
(2)将上述钛、镍、铝和钼原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2800℃以上熔炼成TiNiAlMo高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlMo高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa，热处理温度900℃下保温24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti53Ni40Al5Mo2高温合金材料。
采用线切割方法，将上述制得的Ti53Ni40Al5Mo2高温合金材料中切取直径d＝6mm，高度h＝9mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用MTS-880型万能材料实验机进行压缩压力-应变测试，压缩应变速率为0.02mm/min，在650℃下测得屈服强度和变形率分别为900MPa和32％，在700℃下测得屈服强度和变形率分别为700MPa和42％。采用线切割方法切取长L＝10mm，宽W＝5mm，高H＝5mm的长方体样品作为密度和抗高温氧化性能测试样品，测量样品的质量M1＝1.5512g，计算合金密度ρ＝6.20g/cm3；将样品置于650℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.01mg/cm2；将样品置于700℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.036mg/cm2。
本发明TiNiAlMo高温合金材料，在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al、Mo元素来提高合金的室温屈服强度和高温力学性能，这类合金密度为5.20～6.30g/cm3，室温屈服强度为1200～1900MPa，塑性大于12％，在600℃～800℃之间具有良好的力学性能，具有低密度、高强度、抗氧化能力强等优点。
Claims (6)
1、一种钛镍铝钼高温合金材料，其特征在于：由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～15at％的铝(Al)和0.5at％～5at％的钼(Mo)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
2、根据权利要求1所述的钛镍铝钼高温合金材料，其特征在于：由50at％～60at％的钛(Ti)、40at％～50at％的镍(Ni)、4at％～10at％的铝(Al)和0.5at％～5at％的钼(Mo)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
3、根据权利要求1或2所述的钛镍铝钼高温合金材料，其特征在于：钛镍铝钼高温合金材料为Ti50Ni41.5Al8Mo0.5。
4、根据权利要求1或2所述的钛镍铝钼高温合金材料，其特征在于：钛镍铝钼高温合金材料为Ti53Ni40Al5Mo2。
5、根据权利要求1或2所述的钛镍铝钼高温合金材料，其特征在于：在温度18℃屈服强度为1100MPa～1900MPa，变形率大于10％；在高温600℃～800℃屈服强度为1150MPa～350MPa，变形率大于25％；抗高温氧化性能在600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.01mg/cm2～7.00mg/cm2；该钛镍铝钼高温合金材料密度为5.60～5.90g/cm3。
6、一种制备如权利要求1所述的钛镍铝钼高温合金材料的方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)按配比称取纯度为99.9％的钛(Ti)、纯度为99.9％的镍(Ni)、纯度为99.9％的铝(Al)和纯度为99.9％的钼(Mo)；
(2)将上述称取的Ti、Ni、Al、Mo原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2700℃～3000℃熔炼成TiNiAlMo高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAlMo高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度850℃～900℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高温合金材料。
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