[發明專利]一種超細晶粒的新型β/γ-TiAl合金

無效

• 申請號: 201310347839.8
• 申請日: 2013-08-12
• 公開（公告）號: CN103409660A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 陳光;王廣甫;彭英博;陳鋒
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/02
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

????本發明屬于TiAl合金技術領域，具體是通過合理設計合金成分，發明了一種片層晶粒晶界上保存大量β相的鑄態超細晶粒新型β/γ-TiAl合金。

背景技術

????γ-TiAl基合金具有密度低、高溫強度和彈性模量高、抗蠕變及抗氧化腐蝕能力強等良好的綜合性能而被認為是航空航天、汽車、能源、兵器等工業領域具有發展潛力的高溫結構材料。但是，由于γ-TiAl合金組織粗大，各向異性強，晶粒尺寸在150~500μm，導致這種合金較差的室溫塑性和較低的熱變形能力，限制了其廣泛應用。目前，通過合金化、熱處理、包套等溫鍛造、包套熱擠壓、包套熱軋制等手段來細化并均勻化組織，可以在一定程度上提高合金的塑性和熱加工性能，卻使其整體加工成本較高，工藝設備復雜，不適于TiAl基合金的規模應用。

TiAl?合金其本身的塑性較差，斷裂韌性低是限制其使用的主要瓶頸。均勻、細小的等軸晶各向異性小，加工時變形均勻、性能優異、塑性好，利于鑄造及隨后的塑性加工，這是提高TiAl合金塑性及熱變形能力的唯一途徑。β/γ-TiAl合金的優點在于β相凝固使合金形成細小均勻的鑄態組織，并具有良好的熱變形能力。β/γ-TiAl合金β相的含量遠比傳統TiAl合金多，可達30%以上，由于β相（室溫下為有序化的B2相）在高溫下是體心立方結構，具有獨立的滑移系，可以有效協調合金的塑性變形。β/γ-TiAl合金由于大量β相的存在，使合金在鑄態下就能夠獲得細小更均勻的顯微組織，而且采用傳統的熱鍛造工藝和設備就可以加工成實體零件。陳玉勇等（一種beta-gamma?TiAl合金及其制備方法.?專利申請號:?201210369708.5）通過添加一種β相穩定元素，真空感應熔煉出鑄錠，晶粒尺寸在50μm左右，并鍛造最終獲得晶粒大小在5~10μm的細晶β/γ-TiAl合金。但不同β相穩定元素對β/γ-TiAl合金組織的影響存在差異，同時β相穩定元素復合添加更會對合金組織尤其是晶粒度產生很大影響。

發明內容

本發明的目的在于提供一種復合添加不同的β相穩定元素，在獲得片層結構及較高的β相數量的同時，使鑄態晶粒尺寸達到10μm的超細晶粒β/γ-TiAl合金。

實現本發明的技術方案：

一種具有超細晶粒的新型β/γ-TiAl合金，所述的合金化學成分按原子百分比計：Al：40~45%、Nb：2~9%、Cr：0~4%、Mo：0~6%、B：0.1~0.3%、其余為Ti，所述合金中Cr與Mo的含量不能同時為0；其組織特征在于：鑄態組織呈片層結構，片層晶粒尺寸平均為10~30μm，β相穩定至室溫并富集在片層晶粒晶界處。

優選配比：所述合金中Al的原子百分比為：42~43%、Nb的原子百分比為：4~8%、Cr的原子百分比為：0~2%、Mo的原子百分比為：0~4%、B的原子百分比為：0.1~0.2%。

????在上述化學成分中，合理β穩定元素的選擇，是得到理想的β/γ-TiAl合金鑄造組織的關鍵。

????Nb是穩定β相的重要元素之一，而且高Nb含量的TiA1合金大量的Nb元素能有效提高合金的高溫力學性能外，還能顯著提高合金的高溫耐氧化能力。所以本發明在β相元素復合添加時，保留較多的Nb元素添加量為2~9%，以便于保留高Nb-TiAl的優勢。

????Cr、Mo被認為是比較有效的β相穩定元素。1~3%Cr的添加量將有助于提高TiAl合金的塑性及熱加工能力，但是Cr元素無法將大量的β相穩定至室溫，而且過量Cr的添加將會破壞TiAl合金的片層結構，故Cr含量應控制在4%以下；????Mo元素可提高細晶合金的塑性和強度，改善合金抗氧化性，新型β/γ-TiAl合金最突出的優勢就是細化晶粒，Mo元素對細晶合金的強化作用顯著，所以Mo含量在0~6%之間較為合適。

????B元素在TiAl-Nb合金中溶解度極低，但通過凝固時析出的B化物，可細化TiAl合金晶粒，提高強度及熱加工性，改善合金的鑄造性能。B元素含量在0.1~0.5%為宜。

????Al含量必須保證合金凝固初生相為β相，考慮到Nb等高熔點β相穩定元素的添加會使TiAl合金β相區向高溫低Al方向擴大，所以將Al元素的含量控制在45%以下，保證其初生相為β相并避免了包晶轉變。

????所述合金的熔煉工藝采用下述兩種方法：

方法一：水冷銅坩堝電磁感應懸浮熔煉，具體步驟如下：