[發明專利]一種鑄造性能優異的耐高溫鈦鋁基合金及其制備方法

無效

• 申請號: 201010297774.7
• 申請日: 2010-09-30
• 公開（公告）號: CN101942583A
• 公開（公告）日: 2011-01-12
• 發明（設計）人: 周洪強;姜建偉;王孟光
• 申請（專利權）人: 洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/02
• 代理公司: 洛陽市凱旋專利事務所 41112
• 代理人: 王自剛

技術領域

本發明涉及一種高溫合金領域技術，特別是一種鑄造性能優異的耐高溫鈦鋁基合金及其制備方法。

背景技術

隨著航空、航天、汽車、艦船等發動機性能不斷提高，對高溫材料的性能提出了更高的要求，即更高的強度、抗氧化性能和更輕的密度等。γ-TiAl基合金材料具有良好的高溫強度、蠕變抗力和抗氧化性能等優點，正在發展成為新一代航空發動機材料，可用于制造壓氣機、燃氣渦輪機葉片，壓氣機定子擋風板，定子機座以及其他形狀復雜的大尺寸鑄造和鍛造零件，以部分替代笨重的鎳基高溫合金可減重約50％。γ-TiAl基合金已用于制造汽車發動機的渦輪增壓器、氣閥等。目前，中國和世界各工業國家都在積極地開展研究，但已經實際應用的合金種類很少。

從鈦鋁合金材料的理論研究來看：當鈦鋁合金鑄造過程中凝固路線為γ相凝固時，凝固后的鈦鋁合金多處于γ單相區，單相γ-TiAl的室溫延伸率非常差，原因是單相γ-TiAl室溫下很多位錯不可動，而主要的滑移位錯又被層錯偶極子釘扎。而α₂+γ組織在延伸率和強度上明顯優于單相γ-TiAl，原因是α₂吸收氧，從而降低了γ中的氧含量，利于位錯滑移。

目前為止鈦鋁合金制備過程中α相凝固路線研究最多，其中Al％研究最多的是46-47at％。Ti-(46-47at％)Al鈦鋁合金材料的凝固路線為α相凝固，α相凝固路線如下：L(液相)→α相→α+γ→α₂+γ，室溫下組織為α₂+γ。凝固過程中L相冷卻時首先生成的α晶體形成明顯的柱狀晶組織，而后續形成的γ片層垂直于α相的柱狀晶生長的方向，導致鑄態組織具有明顯的各向異性，鑄件各部位性能差異明顯。

為了解決α相凝固時鈦鋁合金的組織均勻性和性能較差的問題，可以在上述Al含量的γ-TiAl合金中添加適量的β穩定元素如Nb、Zr、Hf等，使Ti-Al合金相圖中的β相區向右移動，實現β相凝固；或者調整Al含量的取值范圍，使γ-TiAl合金中Al含量約為44at％或以下，以實現β相凝固，但如果Al含量過低則粗大的β相增加導致塑性很差。β相凝固路線如下：L(液相)→L+β→β→α+β→α→α+γ→α₂+γ，室溫下組織為α₂+γ，如Ti-44Al-0.2B合金。但當γ-TiAl合金中含有一定含量的β穩定元素時，β相凝固路線為：L(液相)→L+β→β→α+β→α+βm→α+γ+βm→α₂+γ+βm，室溫下組織為α₂+γ+βm(βm為亞穩β相)，如Ti-44Al-5Nb-0.2B合金。β相凝固過程中，由于β晶粒中可以形成12個完全不同方向的α變體，最終在每個β晶粒中得到取向完全不同的板條團，該組織各向異性很小，各部位力學性能基本一致。

在鈦-鋁二元合金相圖上，當Al含量高于44at％左右時，γ-TiAl合金凝固過程中將發生包晶反應L+β→α，凝固路線為：L(液相)→L+β→β+α→α→α+γ→α₂+γ或L→L+β→L+α→α→α+γ→α₂+γ。含包晶反應的鈦鋁合金凝固過程中，包晶反應發生在β相和液相界面處，當α相從液相處開始形核，如前所述將使鑄態組織具有明顯的各向異性；當α相從β相處開始形核，將得到取向完全不同的較粗大板條團，該組織各向異性很小。經國內外多年研究和測試，經過包晶反應的γ-TiAl合金可以在實際應用，但凝固后鑄件成分的均勻性較經β相凝固的γ-TiAl合金要差。

專利US6051084指出Nb可以極大地改善鈦鋁合金的抗氧化性能，提高合金的高溫強度及蠕變性能，當Nb含量為6～10％時合金均具有較好的抗氧化性能。

中科院金屬所R.Yang教授等，在《Alloy?development?and?shell?mould?casting?of?gamma?TiAl》(Journal?of?materials?processing?technology[J]，2003，135：179-188)中研究了2at％Nb、5at％Nb、8at％Nb分別對γ-TiAl合金抗氧化性能和抗熱疲勞性能的影響，得出Nb含量為5at％時抗氧化性能、抗熱疲勞性能較8at％Nb時更好；當Nb含量為2at％時鈦鋁合金抗熱疲勞性能最好。