[發(fā)明專利]一種鈦基多主元合金

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110065535.7
• 申請(qǐng)日: 2021-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112899525B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉宏武;高帆;馮像征;李臻熙
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院
• 主分類號(hào): C22C14/00
• 分類號(hào): C22C14/00;C22C1/03
• 代理公司: 中國(guó)航空專利中心 11008
• 代理人: 孟慶浩

本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈦基多主元合金。采用鈦、鋁、鉻、鈮四種合金元素作為主要合金元素，按原子百分含量含有：70％～50％Ti、13％～28％Al、8％～11％Cr、10％～15％Nb、0～2％Zr、0～0.5％Ta、0～0.5％W，0～2.0％Si，余量為不可避免的雜質(zhì)。合金密度在4.6g/cm³～5.2g/cm³范圍內(nèi)，比傳統(tǒng)的鎳基高溫合金密度低35％以上，替代傳統(tǒng)的鎳基合金可以實(shí)現(xiàn)顯著的結(jié)構(gòu)減重效果。其在650℃～850℃抗氧化性能優(yōu)異，同時(shí)具有良好的力學(xué)性能，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)件上具有很好的應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈦基多主元合金。

背景技術(shù)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料領(lǐng)域，根據(jù)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪等部件服役溫度差異，選用不同的結(jié)構(gòu)材料。通常在中低溫段(室溫～600℃)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)部位主要采用鈦合金材料，鈦合金的密度在4.4g/cm³～4.6g/cm³，主要部件類型包括盤(pán)類、葉片類、機(jī)匣類；而在高溫段(650℃～1200℃)的渦輪位置則主要使用鎳基高溫合金材料，鎳基合金的密度在8.2g/cm³以上。

傳統(tǒng)單主元的鈦合金最高使用溫度在650℃以下，主要受限于其在更高溫度下的抗高溫氧化性能和高溫強(qiáng)度不能滿足服役要求。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)減重的迫切需求，采用輕質(zhì)耐高溫的新型合金替代傳統(tǒng)的鎳基高溫合金意義重大。

開(kāi)發(fā)在650℃以上溫度使用的鈦基合金一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料研究的重要方向。國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)發(fā)了鈦基的金屬間化合物，主要包括γ-TiAl合金、Ti3Al合金和Ti2AlNb合金，其中Ti3Al和Ti2AlNb合金的主合金元素均為T(mén)i、Al、Nb，其設(shè)計(jì)使用溫度在650℃～750℃，該合金密度在4.8g/cm³～5.4g/cm³，目前性能比較優(yōu)異的Ti2AlNb合金中Nb含量在22％～25％之間，Nb元素的原材料成本較高，造成了合金制備成本高，同時(shí)，過(guò)高的Nb含量使得該類合金在800℃以上溫度不能達(dá)到完全抗氧化級(jí)別，故很難在更高溫度服役，該類合金在國(guó)內(nèi)外尚未獲得應(yīng)用，國(guó)內(nèi)處于應(yīng)用研究階段。γ-TiAl合金的服役溫度在700℃～850℃之間，主合金元素為T(mén)i、Al，該合金密度在3.9g/cm³～4.2g/cm³，在850℃及以下溫度完全抗氧化，已經(jīng)在國(guó)外多型主流航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得應(yīng)用，但是由于其熱加工窗口窄造成加工成本高，且室溫塑性較差(室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率0.5～2.5％)，故其目前只作為低壓渦輪或高壓壓氣機(jī)葉片部件使用。

多主元合金是近10幾年來(lái)發(fā)展出來(lái)的一類新型金屬結(jié)構(gòu)材料，根據(jù)其組成元素和含量的差異，在結(jié)構(gòu)材料、功能材料領(lǐng)域表現(xiàn)出了應(yīng)用潛力。現(xiàn)有報(bào)道中的可用于高溫結(jié)構(gòu)中的多主元合金以多主元難熔合金體系為主，一類是抗高溫軟化性能好，但是合金密度高，例如NbMoTaW和VNbMoTaW合金，其在1000℃時(shí)的壓縮屈服強(qiáng)度分別為548MPa和842MPa，但是其密度分別為13.75g/cm³和12.36g/cm³；另一類是低密度多主元合金，例如，NbTiVZr合金，其密度為6.5g/cm³，600℃的壓縮屈服強(qiáng)度834MPa，但是其在600℃不具有抗氧化性，因此也難于在高溫環(huán)境應(yīng)用。

基于現(xiàn)有高溫鈦合金、鈦基金屬間化合物的分析和大量其它體系合金的公開(kāi)報(bào)道，發(fā)現(xiàn)目前在650℃～850℃范圍內(nèi)，缺少一種可以在該溫度段同時(shí)具有低密度、優(yōu)異抗氧化性能、力學(xué)性能優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)材料。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)減重的大背景下，亟待開(kāi)發(fā)新型輕質(zhì)、耐高溫結(jié)構(gòu)材料。

本專利提出的材料是針對(duì)航空航天等高溫環(huán)境(≤850℃)應(yīng)用條件開(kāi)發(fā)的，其可以作為傳統(tǒng)鎳基合金的替代材料，實(shí)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)減重效果。

發(fā)明內(nèi)容