[發明專利]鑄態強韌Ti3Al金屬間化合物及其制造方法和應用

在審

• 申請號: 201710395429.9
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107299250A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 崔玉友;劉亮亮;劉仁慈;劉冬;楊銳
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/03;C22F1/18
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙)21234
• 代理人: 張志偉

本發明屬于Ti?Al金屬間化合物領域，具體涉及到一種新型鑄態強韌Ti₃Al金屬間化合物其制造方法和應用，包括合金成分、冶煉、精密鑄造和熱處理等組成要素。合金成分(重量百分比)為Al:10.2％～11.8％，Nb:26.0％～29.0％，Mo:1.0％～3.0％，余量為Ti和不可避免的雜質元素；其中，不可避免的雜質元素為Fe、Si、O、N、H，Fe≤0.3％，Si≤0.3％，O≤0.15％，N≤0.04％，H≤0.01％。從而，通過成分優化和熱處理工藝組合，可獲得拉伸強度與塑性、疲勞強度與熱穩定性的不同匹配，可用制作先進航空發動機高溫部位的精密鑄件，在600～700℃范圍內長時使用；該合金也可用于制作航天飛行器耐高溫結構件，在650℃～750℃范圍內短時使用。

技術領域

本發明屬于Ti-Al金屬間化合物領域，具體涉及到一種在600℃～700℃下長時使用(≥500小時)或在650℃～750℃范圍內短時使用的新型鑄態強韌Ti₃Al金屬間化合物其制造方法和應用。

背景技術

為了提高航空發動機的推重比，需要重點突破發動機部件的氣動設計、結構設計、材料、工藝等方面的關鍵技術，減輕發動機結構重量的主要途徑之一是盡可能多的采用輕質材料，但是目前變形鈦合金最高使用溫度為600℃，鑄造鈦合金最高使用溫度僅為500℃，使用溫度限制了鈦合金使用范圍的擴大。Ti₃Al合金密度較低(小于5g/cm³)、比強度和比剛度較高，工作溫度可達650℃，以Ti₃Al 基合金代替高溫合金合金，并采用精密鑄造的工藝路線制備復雜形狀高溫部件可以從重量和結構上同時減輕航空發動機重量，實現航空發動機驗證機高推重比的技術指標，具有十分重要的現實意義。

目前，航空發動機高溫構件主要采用工藝性能優異的GH4169合金制備。然而GH4169合金的密度大，不能滿足高推重比發動機對減重的要求。Ti₃Al合金是一種新材料，經近二十年的研發，變形Ti₃Al合金已接近實用化程度，而鑄造Ti₃Al 合金的研究起步較晚。

Ti₃Al金屬間化合物因密度低，可望拓展鈦合金的使用溫度，因此在20世紀 70年代即受到美歐和前蘇聯等國的普遍重視。經近二十幾年的研究，在合金研制方面，合金的塑性得到了明顯改善，先后發展了Ti-24Al-11Nb(at.％)、Ti-25Al-10Nb -3V-1Mo、Ti-25Al-17Nb-1Mo、Ti-24.5Al-12.5Nb-1.5Mo等Ti₃Al基合金。在成型工藝方面，已制備出合金的棒材、餅材、板材和箔材等工業半成品，并用其制作了高壓壓氣機機匣、高壓渦輪靜止支撐環等。在應用考核方面，高壓壓氣機匣成功地試車了65小時，高壓渦輪靜止支撐環也在GE29發動機上成功地經受了試車考核，而加力燃燒室噴口密封片在F100和F404發動機進行了運轉試驗。

在國內，自80年代中期以來，在國家“863”計劃和國家軍品配套項目的支持下，在Ti₃Al合金研制、熱加工工藝和構件成型等方面均取得長足的進展，目前已接近實用化程度。國內在Ti-24Al-10Nb-3V-1Mo合金的基礎上，研制出具有優異綜合性能和自主知識產權的Ti₃Al合金；研發出適于Ti₃Al合金大尺寸鑄錠真空自耗熔煉技術，建立了相應的技術裝備，具備了熔煉大尺寸Ti₃Al合金鑄錠的能力，研發出了適于Ti₃Al合金大尺寸鑄錠開坯和鍛造、環材軋制、板材軋制和構件熱模鍛造等技術，成功制備出先進航空發動機用Ti₃Al合金級間封嚴環構件，模鍛出先進航空發動機用Ti₃Al合金鍛件，軋制出Ti₃Al合金薄板材和厚度分別為 0.7mm、0.5mm和0.1mm的箔材，其中0.5mm厚的Ti₃Al基合金箔材已用于豐田和印度力量一級方程式賽車發動機排氣系統。

發明內容