CN1274858C - 一种钛镍铝铌高温合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛镍铝铌高温合金材料，该合金材料由50at%～60at%的钛(Ti)、35at%～50at%的镍(Ni)、1at%～15at%的铝(Al)和1at%～10at%的铌(Nb)组成。该合金材料在18℃屈服强度为1100MPa～1800MPa，变形率大于10%；在高温600℃～800℃的屈服强度为1150MPa～350MPa，变形率大于25%；抗高温氧化性能为600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.005mg/cm²～5.00mg/cm²；该钛镍铝铌高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm³。

Description

一种钛镍铝铌高温合金材料

技术领域

本发明涉及一种钛镍铝铌高温合金材料，通过在钛镍合金中添加Al、Nb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、高强度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、Nb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、高比强度TiNiAlNb高温合金材料，该TiNiAlNb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铌高温合金材料，由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～15at％的铝(Al)和1at％～10at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。

本发明的钛镍铝铌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2at％～8at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。

所述的钛镍铝铌高温合金材料组份为Ti₅₁Ni₄₁Al₅Nb₃或者Ti₅₃Ni₃₇Al₄Nb₆。

所述的钛镍铝铌高温合金材料，其在18℃屈服强度为1100MPa～1800MPa，变形率大于10％；在高温600℃～800℃的屈服强度为1150MPa～350MPa，变形率大于25％；抗高温氧化性能为600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.005mg/cm²～5.00mg/cm²；该钛镍铝铌高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm³。

本发明的一种钛镍铝铌高温合金材料的制备方法，包括下列步骤：

(1)按50at％～60at％称取纯度为99.9％的钛(Ti)、35at％～50at％称取纯度为99.9％的镍(Ni)、1at％～15at％称取纯度为99.9％的铝(Al)和1at％～10at％称取纯度为99.9％的铌(Nb)；

(2)将上述称取的钛、镍、铝和铌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TiNiAlNb高温合金锭材；

(3)将上述制得的TiNiAlNb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Ti_50～60Ni_35～50Al_1～15Nb_1～10高温合金材料。

本发明TiNiAlNb高温合金材料的优点：(1)在TiNiAl合金基础上，通过添加高纯度Nb元素来提高合金的室温屈服强度和高温力学性能以及抗高温氧化性，这类合金密度为5.20～6.30g/cm³，室温屈服强度为1100～1800MPa，在高温600℃～800℃的屈服强度为1150MPa～350MPa，塑性大于10％，在600℃～800℃之间抗高温氧化性能为600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.005mg/cm²～5.00mg/cm²；(2)该TiNiAlNb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℃之间具有更好的抗高温氧化性能。

附图说明

图1是Ti₅₁Ni₄₁Al₅Nb₃圆柱试样在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃几个不同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TiNiAlNb高温合金材料，由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～15at％的铝(Al)和1at％～10at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。为了改变本发明TiNiAlNb高温合金材料的密度，其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2at％～8at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。

本发明TiNiAlNb高温合金材料的制备方法和步骤如下：

(1)按50at％～60at％称取纯度为99.9％的钛、35at％～50at％称取纯度为99.9％的镍、1at％～15at％称取纯度为99.9％的铝和1at％～10at％称取纯度为99.9％的铌；

(2)将上述钛、镍、铝和铌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TiNiAlNb高温合金锭材；

(3)将上述制得的TiNiAl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TiNiAlNb高温合金材料。

采用线切割方法，在上述制得的TiNiAlNb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Ti_50～60Ni_35～50Al_1～15Nb_1～10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	1100～1800	10～20	-	5.20～6.30
600	700～1300	25～40	0.005～0.01
				650	500～900	25～40	0.005～0.01
700	400～800	25～40	0.03～1.00
				800	300～500	25～35	1.00～5.00

本发明的Ti_50～60Ni_35～50Al_1～15Nb_1～10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。该TiNiAlNb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℃之间具有更好的抗高温氧化性能。

实施例1：制Ti₅₁Ni₄₁Al₅Nb₃高温合金材料

(1)称取51at％纯度为99.9％的钛、41at％纯度为99.9％的镍、5at％纯度为99.9％的铝和3at％纯度为99.9％的铌；

(2)将上述钛、镍、铝和铌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℃熔炼成TiNiAlNb高温合金锭材；

(3)将上述制得的TiNiAlNb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12小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti₅₁Ni₄₁Al₅Nb₃高温合金材料。

采用线切割方法，在上述制得的Ti₅₁Ni₄₁Al₅Nb₃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1050MPa和35％，在650℃下测得屈服强度和变形率分别为800MPa和31％。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＝1.5376g，计算合金密度ρ＝6.15g/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0.006mg/cm²。其它不同温度条件下的状况请参见图1所示。图中示出Ti₅₁Ni₄₁Al₅Nb₃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Ti₅₁Ni₄₁Al₅Nb₃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。该TiNiAlNb高温合金材料与具有相同Al原子百分比的Ti₅₁Ni₄₄Al₅高温合金相比，在600℃～800℃之间具有更好的抗高温氧化性能。

实施例2：制Ti₅₃Ni₃₇Al₄Nb₆高温合金材料

(1)称取53at％纯度为99.9％的钛、37at％纯度为99.9％的镍、54at％纯度为99.9％的铝和6at％纯度为99.9％的铌；

(2)将上述钛、镍、铝和铌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3000℃熔炼成TiNiAlNb高温合金锭材；

(3)将上述制得的TiNiAlNb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Ti₅₃Ni₃₇Al₄Nb₆高温合金材料。

采用线切割方法，在上述制得的Ti₅₃Ni₃₇Al₄Nb₆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750MPa和33％，在700℃下测得屈服强度和变形率分别为570MPa和35％。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＝1.4910g，计算合金密度ρ＝5.96g/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0.005mg/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0.05mg/cm²。

本发明TiNiAlNb高温合金材料是在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al、Nb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1100～1800MPa，在高温600℃～800℃的屈服强度为1150MPa～350MPa，塑性大于10％，在600℃～800℃之间具有良好的力学性能和抗高温氧化性能，具有低密度、高强度的优点。

Claims (6)

1、一种钛镍铝铌高温合金材料，其特征在于：由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～15at％的铝(Al)和1at％～10at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。

2、根据权利要求1所述的钛镍铝铌高温合金材料，其特征在于：由50at％～60at％的钛(Ti)、40at％～50at％的镍(Ni)、4at％～10at％的铝(Al)和2at％～8at％的铌(Nb)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所述的钛镍铝铌高温合金材料，其特征在于：钛镍铝铌高温合金材料为Ti₅₁Ni₄₁Al₅Nb₃。

4、根据权利要求1所述的钛镍铝铌高温合金材料，其特征在于：钛镍铝铌高温合金材料为Ti₅₃Ni₃₇Al₄Nb₆。

5、根据权利要求1或2所述的钛镍铝铌高温合金材料，其特征在于：该合金材料在18℃屈服强度为1100MPa～1800MPa，变形率大于10％；在高温600℃～800℃的屈服强度为1150MPa～350MPa，变形率大于25％；抗高温氧化性能为600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.005mg/cm²～5.00mg/cm²；该钛镍铝铌高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm³。

6、一种钛镍铝铌高温合金材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)按50at％～60at％称取纯度为99.9％的钛(Ti)、35at％～50at％称取纯度为99.9％的镍(Ni)、1at％～15at％称取纯度为99.9％的铝(Al)和1at％～10at％称取纯度为99.9％的铌(Nb)；

(2)将上述称取的钛、镍、铝和铌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TiNiAlNb高温合金锭材；

(3)将上述制得的TiNiAlNb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Ti_50～60Ni_35～50Al_1～15Nb_1～10高温合金材料。

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