[發(fā)明專利]具有過(guò)包晶凝固特征的抗熱裂型中鈮鑄造TiAl合金

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410598345.1
• 申請(qǐng)日: 2014-10-30
• 公開（公告）號(hào): CN104328311A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡銳;寇宏超;何壇;張鐵邦;李金山
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C22C14/00
• 分類號(hào): C22C14/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，是一種適用于輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)的抗熱裂性良好的鑄造鈦鋁(TiAl)合金。

技術(shù)背景

γ-TiAl合金具有低密度，高的比強(qiáng)度和比彈性模量，良好的抗氧化和抗蠕變性能等優(yōu)點(diǎn)，使其成為制造高推重比先進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片、低壓渦輪葉片、汽車增壓渦輪等輕質(zhì)耐熱結(jié)構(gòu)件最具競(jìng)爭(zhēng)力的材料。

從第一代TiAl基合金(Ti-48Al-1V(at.％))到第二代TiAl基合金(Ti-48Al-2Nb-2Cr(at.％))，再到第三代TiAl基合金(K5)直至未來(lái)將服役于800–900℃的高溫TiAl基合金，TiAl合金成分與性能一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。但是，由于現(xiàn)有的TiAl合金中加入了較多的β穩(wěn)定化元素，導(dǎo)致其鑄造組織偏析明顯，加上TiAl合金本身具有的室溫本征脆性，使其鑄錠和鑄件在冷卻過(guò)程中，在韌脆轉(zhuǎn)化溫度附近易出現(xiàn)熱裂，且熱裂裂紋特別容易在偏析組織的界面上擴(kuò)展，從而導(dǎo)致鑄錠和鑄件開裂。嚴(yán)重制約了TiAl合金鑄錠和鑄件特別是大尺寸鑄錠和鑄件的制造成功率。現(xiàn)有研究表明，凝固組織特征和合金的凝固路徑與其合金成分密切相關(guān)，通過(guò)調(diào)配合金成分獲得合理的凝固組織特征將有助于減小鑄錠和鑄件的開裂趨向。

包晶合金按凝固路徑，通常可分為：?jiǎn)我幌嗄毯辖稹啺毯辖鸷瓦^(guò)包晶凝固合金(D.H.St.John,L.M.Hogan,A?Simple?Prediction?of?the?Rate?of?the?Peritectic?Transformation,Acta,Metall,35,1987:172)。TiAl合金是典型的包晶合金，按照TiAl合金二元相圖，目前的鑄造TiAl合金也可分為：?jiǎn)我沪履蘐iAl合金、亞包晶凝固TiAl合金和過(guò)包晶凝固TiAl合金，具體是：合金中鋁當(dāng)量含量低于β相最大固溶度點(diǎn)44.3at.％的合金為單一β相合金；合金中鋁當(dāng)量含量高于44.3at.％而低于包晶點(diǎn)鋁含量47.3at.％的合金為亞包晶凝固合金；合金中鋁當(dāng)量含量高于47.3at.％的合金且低于α相最大固溶度點(diǎn)鋁含量49.3at.％的合金為過(guò)包晶凝固合金。此外，依據(jù)文獻(xiàn)：含Nb量在3～5at.％的合金為中鈮TiAl合金(胡偉.Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2和Ti-46Al-5Nb-0.5W-l.2B的熱穩(wěn)定性研究[D],西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014:18)，含Nb量在5～10at.％的合金為高鈮TiAl合金(Fritz?Appel,Jonathan?David?Heaton?Paul,Michael?Oehring.Gamma?Titanium?Aluminides?2003,TMS,Warrendale,PA,P472)。

對(duì)于單一β凝固TiAl合金，其組織中存在明顯的β偏析，且由于單相區(qū)中β相存在的溫度區(qū)域?qū)挘覝亟M織中易保留脆性的B2相或ω相甚至D8₈-ω相，鑄錠易產(chǎn)生熱裂。亞包晶凝固TiAl合金，其組織特征為β相樹枝先析出并長(zhǎng)大，結(jié)晶溫度范圍較寬，致使這類TiAl合金的糊狀凝固特征多于逐層凝固特征。而且，對(duì)于亞包晶合金，由于包晶反應(yīng)結(jié)束后沒(méi)有殘余液相，包晶反應(yīng)不完全，致使β相不能完全消除，初生β相樹枝晶組織殘留于凝固組織中，且在這些初生β樹枝晶上形成明顯的“α包晶暈”(附圖1)，使該類合金的凝固組織存在明顯的枝晶偏析和凝固缺陷，從而造成合金鑄造性能下降，開裂傾向較大。對(duì)于過(guò)包晶凝固TiAl合金，其初生β相在未長(zhǎng)大或分化之前即被包晶反應(yīng)產(chǎn)生的包晶相α所包圍，由于過(guò)包晶成分合金β結(jié)晶溫度范圍小，初生β相尺寸小致使包晶α相尺寸小，且樹枝狀不明顯。由于包晶反應(yīng)完全，其枝晶邊緣無(wú)“α包晶暈”。包晶反應(yīng)后有殘余液相，殘余液相最終以α相生長(zhǎng)。當(dāng)其包晶反應(yīng)完之后生成的包晶相含量和殘余液相含量為1:1時(shí)，α相不明顯分化成枝晶形態(tài)，而形成球狀α枝晶，在后續(xù)α凝固過(guò)程中，α相的長(zhǎng)大仍主要保持非枝晶化的特征。這種合金熔體鑄造流動(dòng)性良好，成分偏析小，大大減小了顯微偏析和凝固缺陷出現(xiàn)的幾率，鑄錠不易產(chǎn)生熱裂；Nb元素用于提高合金強(qiáng)度和抗氧化能力；Cr元素用于改善鈦鋁合金的熱變形能力；B元素可以使合金凝固組織細(xì)小均勻；N元素可以細(xì)化合金組織，增加片層的強(qiáng)度及片層穩(wěn)定性，從而抑制片層間的開裂。