[發明專利]一種添加有微量硼的鈮鈦鋁合金及其制備方法

無效

• 申請號: 201210155246.7
• 申請日: 2012-05-18
• 公開（公告）號: CN102703787A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 汪燕青;劉兆剛;劉創紅;李娜;王東新;孫本雙
• 申請（專利權）人: 國家鉭鈮特種金屬材料工程技術研究中心
• 主分類號: C22C27/02
• 分類號: C22C27/02;C22C30/00;C22C1/03
• 代理公司: 寧夏專利服務中心 64100
• 代理人: 趙明輝

技術領域

本發明涉及一種添加有微量硼的鈮鈦鋁合金及其制備方法。

背景技術

鈮是密度最低的難溶金屬，僅為8.57克/立方厘米，可以與鈦無限固溶形成合金，但鈮鈦合金在1000℃時存在超塑性現象，延伸率達到224％，因而限制了其高溫應用。在鈮鈦合金中添加了適量鋁之后，在顯著提升合金的高溫力學強度的同時，還能夠降低合金的密度和改善合金的高溫抗氧化能力，從而作為在1000℃至1300℃使用的高溫結構材料。如美國GE公司的Melvin?R.Jackson的專利便做過一種密度為6.33g/cm³的含鈮45％、含鈦45％(原子百分比，以下涉及合金組分含量百分比為原子百分比)、含鋁10％的合金材料和另一種密度僅為5.95g/cm³含鈮40％、含鈦40％、含鋁20％合金材料的比較。結果發現含鋁20％合金在室溫、600℃、900℃下的屈服強度顯著高于含鋁10％的合金，而在1200℃時，純氬氣環境下，兩種合金仍然具有4-5ksi(約28-34Mpa)的屈服強度。此外，當合金中的鋁含量達到一定水平時，高溫下會在合金表面形成鋁的氧化層，從而阻止氧氣在合金中的擴散，使合金具有較好的抗氧化能力。這方面的工作已經被充分研究和報導過。因為具有低密度和較好高溫力學強度的優勢，這一類合金有望用于航空和航天領域，如航天發動機的尾噴管便可用這一類的材料制成。目前美國已經在此這一類合金的基礎上開發出一種更為先進的Nb+40Ti+10Al+8Cr+2Hf合金(含40％鈦、10％鋁、8％鉻和2％鉿，余量為鈮，下同)，該合金在1200℃下具有77Mpa的抗拉強度。而俄國研發的Nb+40Ti+15Al+2W合金在1100℃下80Mpa的抗拉強度也能滿足航空航天的工業需要。

但是，合金中鋁的加入同時也導致了合金具有嚴重的室溫脆性的問題，如上述提到的GE公司的Melvin?R.Jackson的實驗中，含鋁10％合金的室溫延伸率為33％，而含鋁20％合金的室溫延伸率僅為15％。此外，含鋁20％的合金由于晶體結構和性質的變化，在600℃和900℃下延伸率甚至低于室溫，分別為13％和2.3％！鋁的添加，還會導致氫脆以及各種鑄造缺陷的產生。某些同類型合金有時用鉻來替換鋁的抗氧化作用和強化作用。但鉻和鋁的共同添加并不能明顯改善合金的塑性。因為在Nb-Ti-Al合金中鉻主要是替換鋁原子的位置，但鉻會在晶界和亞晶界上出現晶界偏析，導致沿晶脆性斷裂，使合金性能進一步惡化。塑性下降和鑄造缺陷的直接后果，既有可能在鑄錠出爐后便在內應力作用下出現裂紋，成為廢品。此外，較差的室溫脆性，換言之也意味著合金的韌脆轉變溫度較高。而在某些工業應用方面，比如上述提到的航天火箭尾噴管，則必須經過鍛造過程。高的韌脆轉變溫度則直接導致這一加工過程無法實現。在上面提到的美國Nb+40Ti+10Al+8Cr+2Hf合金中，加入2％的鉿可以一定程度上改善合金的塑性。但因為鉿較貴，使得這一工藝的價值有較大折扣。

提高合金的晶粒度對于改善合金的力學性能和降低韌脆轉變溫度，乃至于提高合金的耐熱疲勞性和循環壽命具有重要意義。根據霍爾-佩奇(Hall-Petch)公式，晶粒度越細(晶界面積越大)，多晶體的室溫強度越高。因此細化晶粒，可以有效改善合金的力學性能。同時，晶界是裂紋擴展的阻力。隨著晶界總面積的增加，晶界上雜質濃度下降，可以有效抑制沿晶脆性斷裂的產生。晶粒的細化抑制裂紋的同時，也降低了韌脆轉變溫度。晶粒度越細，韌脆轉變溫度越低，越不容易發生脆斷，塑性越好。兩者之間服從公式：T_c∝lnd^-1/2(其中，T_c為韌脆轉變溫度，d代表晶粒直徑)。因而細化晶粒度對于這類Nb-Ti-Al合金進入更大規模工業應用而言，具有重要的意義。

晶粒細化可以通過改善鑄造工藝、添加晶粒細化劑和熱處理實現。綜合來看，添加晶粒細化劑，改善合金成分是最為經濟的方案。很早人們就認識到，如果在鋁合金中添加微量的鈦，會導致組織的細化。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種添加有微量硼的鈮鈦鋁(Nb-Ti-Al)合金，能夠提高合金的力學性能，增強增韌，防止合金開裂；

本發明的目的之二是提供一種上述合金的制備方法，能夠解決鈮鈦鋁合金的室溫脆性問題并且細化鈮鈦鋁合金鑄態組織的晶粒。

一種添加有微量硼的鈮鈦鋁合金，其特別之處在于：按原子百分比計在鈮鈦鋁合金中添加0.5％-5％的硼。

其中鈮鈦鋁合金中含30％-60％原子百分比的鈮。