[發(fā)明專(zhuān)利]鑄造用鈦鋁基合金及其制備方法

無(wú)效

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• 申請(qǐng)日: 2014-04-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103924121A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張熹雯;駱晨;朱春雷;李勝;李海昭;王新英;張繼
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京鋼研高納科技股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): C22C14/00
• 分類(lèi)號(hào): C22C14/00
• 代理公司: 北京凱特來(lái)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;付久春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及γ-TiAl基金屬間化合物輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料制備領(lǐng)域，特別是涉及一種在保持室溫拉伸塑性的前提下高溫力學(xué)性能明顯改善的鑄造用鈦鋁基合金及其制備方法。

背景技術(shù)

航空、航天、車(chē)輛、艦船發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，要求發(fā)展比強(qiáng)度高、比模量高和耐更高使用溫度的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。γ-TiAl基合金具有低密度、較高彈性模量以及良好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于航空、航天和車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件將通過(guò)結(jié)構(gòu)減重提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，具有重要的技術(shù)推動(dòng)作用。例如，與裝配鎳基高溫合金增壓器渦輪的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，配備鈦鋁合金增壓器渦輪的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，響應(yīng)時(shí)間、比油耗和穩(wěn)態(tài)煙度均明顯降低，發(fā)動(dòng)機(jī)性能顯著提高，并產(chǎn)生了明顯節(jié)能減排效果。然而，鈦鋁基合金室溫本征塑性不足，限制了其工程化應(yīng)用。近年來(lái)，通過(guò)組織控制和合金化基本解決了其室溫脆性問(wèn)題，部分鈦鋁基合金已經(jīng)具備工程應(yīng)用的條件。

鋼鐵研究總院申請(qǐng)的專(zhuān)利CN1024927中記載，控制Ti/Al原子比并應(yīng)用Cr和V兩種元素的復(fù)合合金化，Ti-(30～34wt％)Al-(1～6wt％)V-(1～6wt％)Cr合金室溫拉伸塑性變形可達(dá)4.8％，創(chuàng)當(dāng)時(shí)國(guó)際上TiAl金屬間化合物合金室溫拉伸塑性的最高水平；同時(shí)，該成分的鑄造合金也表現(xiàn)出優(yōu)異的室溫拉伸塑性(大于1.7％)。進(jìn)一步優(yōu)化Ti/Al原子比以及Cr和V的配合，得到了室溫拉伸塑性進(jìn)一步改善的Ti-(46.0～48.0)、Al-(1.5～3.5)V-(0.5～1.5)Cr合金。力學(xué)性能測(cè)試表明，該鑄造合金表現(xiàn)出優(yōu)異的室溫拉伸塑性和強(qiáng)度組合，其中，室溫拉伸塑性大于2.5％，同時(shí)，在650～750℃范圍內(nèi)具有較好的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力。然而，由于未添加高熔點(diǎn)合金元素(Nb、W、Mo、Ta等)或者彌散相形成元素(C、B、Si等)，該合金高溫強(qiáng)度、蠕變抗力、長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性尚不能滿(mǎn)足750℃以上溫度的使用要求。因而，需要找到一種方法，在保持室溫拉伸塑性的前提下，改善該合金的高溫力學(xué)性能，以滿(mǎn)足更高溫度使用的要求。

添加高含量的高熔點(diǎn)合金元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化和提高組織穩(wěn)定性，可改善鈦鋁基合金的高溫力學(xué)性能。例如，專(zhuān)利US5207982和US5286443報(bào)道，添加高含量(1～4at％)的高熔點(diǎn)合金元素Nb、W、Mo、Ta、Y、Zr、Hf，可明顯改善鈦鋁合金的高溫強(qiáng)度、抗腐蝕性和抗氧化性，但均導(dǎo)致室溫拉伸塑性明顯降低。專(zhuān)利US5286443認(rèn)為，當(dāng)這些高熔點(diǎn)合金元素(Nb、W、Mo、Ta、Y、Zr、Hf)添加量小于0.5at％時(shí)，其強(qiáng)化作用很小。專(zhuān)利EP0636701報(bào)道，鑄造Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si(at％)合金650℃/276MPa、760℃/138MPa、815℃/138MPa蠕變量0.5％所對(duì)應(yīng)時(shí)間是Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)的10倍以上，但前者1.3％的室溫拉伸塑性也低于后者2.0％以上的室溫拉伸塑性。這表明，高熔點(diǎn)合金元素添加量約0.5at％、多種元素的微合金化方法的確有利于改善鈦鋁合金的蠕變性能，但仍造成了鈦鋁合金室溫拉伸塑性明顯降低。

添加C、B、Si等元素形成彌散強(qiáng)化相，可改善高溫力學(xué)性能。例如，專(zhuān)利EP2657358報(bào)道，添加0.016～0.05wt％C，改善了鑄造Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)合金的抗蠕變性能，將其使用溫度從760℃提高至870℃，但是其室溫拉伸塑性從2.0％以上降低到0.3～1.6％。專(zhuān)利EP1052298也報(bào)道了相似的現(xiàn)象，在鑄造47AlXD合金中添加0.037～0.069wt％C，可明顯改善650℃/276MPa、760℃/138MPa、815℃/138MPa的蠕變性能，同時(shí)，其室溫拉伸塑性也從0.8％降低到0.4％。顯然，添加微量的C的確有利于改善合金高溫蠕變性能，但也導(dǎo)致了室溫拉伸塑性的降低。此外，專(zhuān)利US6294132報(bào)道，在鈦鋁合金中添加0.2～0.5at％Si，可明顯改善合金的抗氧化性，且形成的Ti₅Si₃相可明顯提高合金的高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，但也造成合金室溫拉伸塑性降低。專(zhuān)利US5284620報(bào)道，在Ti-47Al-2Mn-2Nb合金中添加0.3at％B，形成TiB₂強(qiáng)化相，可明顯提高合金的高溫強(qiáng)度，但其室溫拉伸塑性也從1.7％降低到0.5％。可見(jiàn)，添加C、Si、B等彌散強(qiáng)化相形成元素，的確提高合金的高溫力學(xué)性能，但都不同程度地降低了合金的室溫拉伸塑性。