[發明專利]一種鈦鋁基多晶耐熱鈦合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201911102977.3
• 申請日: 2019-11-12
• 公開（公告）號: CN112831708B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 賀永東;孫郅程
• 申請（專利權）人: 新疆大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C1/03;C22F1/02
• 代理公司: 中國有色金屬工業專利中心 11028
• 代理人: 劉佳音

1.一種鈦鋁基多晶耐熱合金，其特征在于，合金的化學組份以原子百分比表示為：

Ti+(44.0at.%或48.0at.%)Al+（6.0-9.0at.%）Nb+(0.2-0.6at.%)Ni +(0.06 -0.12at.%)Y+ (1.2 -3.5 at.%)A +(0.2-2.0at.%)M +(1.0-2.5at.%)N + ( 0.2- 0.8 at.%)Q+0.18at.% O

式中：A為鉻（Cr）、錳（Mn）、釩（V）三種元素中的一種或者兩種，選擇兩種元素時，每種元素的添加量均為0.5-1.8%，總量為1.2-3.5at.%；M為鎢（W）、鉬（Mo）、鉭（Ta）三種元素中的一種或者兩種，選擇兩種元素時，每種元素的添加量均為0.3-1.6%，總量為0.6-2.0at.%； N為鋯（Zr）、硅（Si）兩種合金元素中的一種或者兩種，其中硅的含量為0.3-0.9at.%，鋯的添加量為1.0-1.6at.%；Q為硼（B）和碳（C）中的一種或者兩種，且兩種元素的總添加量控制在0.3-0.8at.%；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦。

2.根據權利要求1所述的鈦鋁基多晶耐熱合金，其特征在于，合金具體實施方案為（1）-（10）中的一種：

⑴含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+Ta）：0.6-2.0at.%；Zr：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦；

⑵含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Mn+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+Ta）：0.6-2.0at.%；Zr：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦；

⑶含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+W）：0.6-2.0at.%；Zr：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦；

⑷含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （W+Ta）：0.6-2.0at.%；Zr：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦；

⑸含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+Ta）：0.6-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.%；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦；

⑹含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Mn+V): 1.2 -3.5 at.%； Ta：0.2-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦；

⑺含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； Mo：0.2-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦；

⑻含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Mn+V): 1.2 -3.5 at.%； Ta：0.2-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.% ；（B+C）：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.%；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦；

⑼含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； Ta：0.2-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.% ；C：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦；

⑽含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+Ta）：0.6-2.0at.%；Si：1.2-1.9at.% ；(B+C)：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.%；合金中雜質總量不大于0.25%，余量為鈦。

3.一種權利要求1所述的鈦鋁基多晶耐熱合金的制備方法，其特征在于，合金的熔煉過程簡述如下：

以0級海綿鈦、電解鋁錠、Al-80%V中間合金、Al-80%Mo中間合金、Ti-65%Mn中間合金、Ti-25%Si中間合金、Al-60%Cr中間合金、Al-10%B中間合金、Ti-C中間合金為原料，或者以鋁熱法生產CrBAl、CrAlSi、NbAlTiC中間合金為原料；在水冷銅坩堝真空感應熔煉爐中熔化一次鑄錠，以一次鑄錠為原料，在真空等離子體-水冷爐床熔煉爐中進行二次熔煉；在二次熔煉過程中，給爐室中沖入高純氬氣作為載氣，提高熔煉期爐壓，減少低熔點金屬鋁的蒸發損失，并脫除熔煉過程中合金中揮發出的氣體；依靠等離子體產生的高溫對合金進行加熱、保溫，使合金液中的高密度夾雜、低密度夾雜充分熔化、溶解，不能熔化、溶解的高密度夾雜、低密度夾雜，通過浮選、沉降的機理而脫除，得到純凈的合金液，并澆注成高質量的鑄錠；

鑄錠熱等靜壓和均勻化：在氬氣保護條件下，用氬弧焊接技術對鑄錠表面氣孔、孔洞進行封閉焊合；將鑄錠在保護氣氛條件下加熱到980-1000℃，氣體壓力180Mpa保壓5h，鑄錠經過熱等靜壓處理后，內部孔隙、疏松缺陷基本修復；隨后，在α相區溫度對鑄錠進行均勻化處理，消除包晶反應形成的成分偏析；

熱加工：鈦鋁基合金室溫塑性很低，熱加工要在共析溫度附近進行，進行等溫精鍛、包套鍛造或者熱擠壓加工；等溫鍛造加熱溫度1150-1180℃，包套鍛造時，更有效地通過鍛打細化鑄錠晶粒而不形成鑄錠裂紋；包套材質低碳鋼板，包套鍛造加熱溫度為1170-1200℃；先在α+γ相區加熱，并對合金進行小變形量的熱加工，變形應變速率控制在1s^-1以內，通過第一次熱加工使合金中的層片組織通過動態再結晶、球化過程轉化為細小的等軸晶組織，使合金的組織和成分更趨均勻；隨后進行第二次熱加工，組織細化后的第二次熱加工，鍛打變形量達到80%，鍛打應變速率控制在10^-2s^-1以內；

鈦鋁基合金的擠壓在溫度較高的α+γ相區或者α相區進行，為了防止合金在高溫條件下發生氧化，擠壓前需要對鈦鋁基合金鑄錠進行包覆處理，包覆材料為低碳鋼板，擠壓溫度在α+γ相區，采用靜液擠壓法，擠壓筒靠近擠壓模的區域通常設計成錐形，待擠壓的錠坯也被加工成帶有一定的錐度；擠壓過程分兩次完成，第一次用包套擠壓棒坯毛料，第二次擠壓用棒坯毛料為坯料擠壓二次棒坯，兩次擠壓的總的擠壓比為：130-250之間；通過選擇和控制擠壓溫度，使合金的組織在等軸晶、雙相或者全層片組織之間變化；

熱矯直和表面處理：將二次擠壓坯進行熱矯直，定尺鋸切并清除表面包套；將二次擠壓坯料加工成所需要的工件；

通過多元合金化改善合金性能；通過微合金化改變合金組織演變路徑；通過添加硼、碳細化合金鑄錠組織；通過固溶、沉淀強化提高強度、抗蠕變性能，改善耐高溫氧化和環境脆化性能；通過熱加工、熱處理和快速冷卻相變強化合金；通過γ（TiAl）的層片狀組織提高高溫強度、斷裂韌性和抗蠕變性能，達到提高使用溫度和高溫使用壽命的目的。