專利名稱：一種高溫蠕變性能及鑄造性能優(yōu)異的鈦鋁基合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫合金領(lǐng)域技術(shù)，特別是一種高溫蠕變性能及鑄造性能優(yōu)異的鈦鋁基合金。
背景技術(shù)：
隨著航空、航天、汽車、艦船等發(fā)動機性能不斷提高，對高溫材料的性能提出了更高的要求，即更高的強度、抗氧化性能和更輕的密度等。Y-TiAl基合金材料具有良好的高溫強度、蠕變抗力和抗氧化性能等優(yōu)點，正在發(fā)展成為新一代航空發(fā)動機材料，可用于制造壓氣機、燃氣渦輪機葉片，壓氣機定子擋風板，定子機座以及其他形狀復雜的大尺寸鑄造和鍛造零件，以部分替代笨重的鎳基高溫合金，可減重約50%。Y-TiAl基合金已用于制造汽車發(fā)動機的渦輪增壓器、氣閥等。目前，中國和世界各工業(yè)國家都在積極地開展研究，但已經(jīng)實際應用的合金種類很少。從鈦鋁二元相圖分析，當Al含量高于51at%時，鈦鋁合金鑄造過程中凝固路線為 Y相凝固，凝固后的鈦鋁合金處于Y單相區(qū)。單相Y-TiAl的室溫延伸率非常差，原因是單相Y-TiAl室溫下很多位錯不可動，而主要的滑移位錯又被層錯偶極子釘扎。而α2+γ 兩相組織在延伸率和強度上明顯優(yōu)于單相Y-TiAl，原因是Ci2吸收氧，從而降低了 γ中的氧含量，利于位錯滑移。早期在鈦鋁合金制備過程中α相凝固路線研究很多。鈦鋁二元相圖顯示，當Al 含量高于49. 4 at%，低于51at%時，鈦鋁合金材料的凝固路線為α相凝固，α相凝固路線如下丄(液相)-L+a-a-a + y- y- a2+y,室溫下組織為a 2+ Y。凝固過程中 L相冷卻時首先生成固相α，α晶體將擇優(yōu)沿其c軸生成，從而形成明顯的柱狀晶體特征， 而后續(xù)形成的Y片層垂直于α相c軸方向，即柱狀晶體生長方向，最終形成明顯的樹枝晶組織，從而影響凝固后鑄件性能的均勻性。鈦-鋁二元合金相圖，當Al含量在44. 8-49. 4 at %區(qū)間時，Y -TiAl合金凝固過程中將發(fā)生包晶反應丄+β — α。當Al含量位于44. 8-47.0%時，包晶反應不完全，凝固路線為L —L+β — β + α — α -α + γ-α2+γ ；當Al含量位于47. 0-49. 4%時，包晶反應不完全，凝固路線為L — L+β — L+α — α — α + γ — γ — α2+γ。當Al含量為47. 0% 時，包晶反應進行完全，凝固路線為L —L+β — a — α + Υ — Υ — α2+Υ。含包晶反應的鈦鋁合金凝固過程中，包晶反應發(fā)生在β相和液相界面處。包晶反應進行不完全時會一定程度上影響材料成分的均勻性。國內(nèi)外經(jīng)多年研究和測試，經(jīng)過包晶反應的Y-TiAl合金可以在實際應用，但凝固后鑄件成分的均勻性較經(jīng)β相凝固的Y-TiAl合金要差。當Al含量小于44. 8 at %，鈦鋁合金材料為β相凝固，凝固路線為 L-L+β — β — β + α — α — α + y — α 2+Υ。β相凝固具有最好的成分均勻性；β相凝固過程中，由于β晶體中可以形成12個完全不同方向的α變體，最終得到取向完全不同的板條團，凝固后組織各向異性很小，各部位力學性能基本一致。但當Al含量過低時，導致凝固后組織Ci2+Y中α 2相含量過高，影響材料的耐高溫性能。在γ-TiAl合金中添加適量的β穩(wěn)定元素如Nb、Zr、Hf，可以使Ti-Al合金相圖中的β相區(qū)向右移動，從而實現(xiàn) β相凝固。專利US6051084指出Nb可以極大地改善鈦鋁合金的抗氧化性能，提高合金的高溫強度及蠕變性能，當Nb含量為6 10%時合金均具有較好的抗氧化性能。中科院金屬所 R. Yang 教授等，在《Alloy development and shell mould casting of gamma TiAl》 (Journal of materials processing technology [J], 2003, 135 :179-188)中石if 究了 2 at %Nb、5 at %Nb、8 at %Nb分別對Y-TiAl合金抗氧化性能和抗熱疲勞性能的影響，得出Nb 含量為5 at %時抗氧化性能、抗熱疲勞性能較8 at %Nb時更好；當Nb含量為2 at %時鈦鋁合金抗熱疲勞性能最好。專利US6^4132指出Ni可以增加合金內(nèi)部的摩擦和提高抗震性能；Si可以提高鈦鋁合金的高溫強度和蠕變強度，并可以提高合金的抗氧化性能。低Nb (通常為l_3at%Nb)鈦鋁合金材料的高溫蠕變性能很差，當溫度在 8500C _950°C長時間應用時材料表面氧化嚴重，因此，低Nb鈦鋁合金通常不適合制備在 850-950°C高溫環(huán)境下長時間應用的零部件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高溫抗氧化蠕變性能優(yōu)異適合鑄造的鈦鋁基合金，為新型低Nb鈦鋁合金材料，在原有低Nb鈦鋁合金材料的基礎(chǔ)上，通過大量試驗研究和數(shù)據(jù)分析，創(chuàng)新性地組合添加了 Ni、Si、C等合金元素，新材料在很多方面較目前國內(nèi)外材料具有明顯的優(yōu)勢。Ni、Si、C元素有利于提高材料的高溫蠕變性能，其中Si有利于提高材料的高溫抗氧化性能；同時Si、C有利于提高材料的鑄造流動性能。本發(fā)明材料鑄造性能優(yōu)異，適合應用于850-950°C高溫環(huán)境下長時間應用的零部件，如汽車發(fā)動機渦輪增壓器的渦輪轉(zhuǎn)子。在此溫度下鈦鋁材料表面通常無需進行化學處理、熱噴涂、離子注入等提高材料的抗氧化性能。為了實現(xiàn)解決上述技術(shù)問題的目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
本發(fā)明的一種高溫蠕變性能及鑄造性能優(yōu)異的鈦鋁基合金，屬于Y-TiAl合金，具體化學成分及原子百分比組成為:A1 :44. 0 48· 0 at%、Nb :1. 0 3· 0 at%、Ni :0. 1-3. 0at%、Si 和C元素中的其中一種或兩種，其中Si 0-0. 8 at%,C :0-0.6 at%，而且Si和C元素的總量為0. 1-0. 9 at%，其余為Ti及不可避免的雜質(zhì)元素。更具體優(yōu)選的，具體化學成分及原子百分比組成可以為
1)Ti-(44. 0 48· 0 ) Al- (1. 0 3· 0) Nb- (0. 1-3. 0) Ni-(0. 1-0. 8) Si ；
2)Ti-(44. 0^48. 0 )Α1_(1· 0 3. 0)Nb_(0. 1-3. 0) Ni -(0. 1-0. 6) C ；
3)Ti-(44.0^48. 0 )Α1_(1· 0 3· 0)Nb-(0. 1-3. 0) Ni -(0. 1-0. 8) Si - (0. 1-0. 6) C，而且 Si和C元素的總量為0. 4-0. 9 at%。所述的耐高溫鈦鋁基合金，優(yōu)選的化學成分質(zhì)量百分比組成可以是A1可以優(yōu)選 46. 0-48. 0 at%,更優(yōu)選 47 at% ；Nb 優(yōu)選 2. 0-3. 0 at%,更優(yōu)選 2. 0 at% ；Ni 可以優(yōu)選 1. 0 2. 0at%，更優(yōu)選 1.0 at% ；
對于 Ti-(44. 0 48· 0 ) Al- (1. 0 3· 0) Nb- (0. 1-3. 0) Ni-(0. 1-0. 8) Si 合金，Si 可以優(yōu)選 0. 2-0. 6 at%,更優(yōu)選 0. 4 at% ；
對于 Ti-(44. 0 48. 0 )Α1-(1· 0 3· 0)Nb-(0. 1-3. 0) Ni -(0. 1-0. 6) C 合金，C 可以優(yōu)選 0. 2-0. 5 at%,更優(yōu)選 0. 3 at%。對于Ti-(44. 0 48· 0 )Α1_(1· 0 3· 0)Nb_(0· 1_3· 0) Ni -(0. 1-0.8) Si -(0.1-0.6) C合金，Si和C元素的總量為0. 4-0. 9 at%，Si可以優(yōu)選0. 2-0. 6 at%，更優(yōu)選0. 4 at% ；C 可以優(yōu)選0. 2-0. 5 at%,更優(yōu)選0. 3 at%。這些技術(shù)方案，包括優(yōu)選的各個元素質(zhì)量百分比以及更優(yōu)選的各個元素質(zhì)量百分比也可以互相組合或者結(jié)合，從而達到更好的技術(shù)效果。通過添加適量的M有利于改善材料的高溫蠕變性能，同時提高鑄造流動性能。當 Ni含量超過發(fā)明專利材料的上限時，會使材料的鑄造流動性能顯著降低、室溫延伸率惡化。添加適量的Si可以改善材料的鑄造流動性能，同時提高鈦鋁合金的蠕變強度和抗氧化性能，但當Si含量過高時材料的鑄造流動性能顯著降低，Si含量過低則對材料的鑄造流動性能提高不明顯。本專利材料打破了鈦、鈦合金及鈦鋁合金行業(yè)內(nèi)將C元素視為雜質(zhì)元素，不能作為合金元素的傳統(tǒng)觀念，通過實際反復測試，添加適量的C元素作為合金元素，可以顯著細化材料的層片間距，提高材料的抗高溫蠕變性能，提高材料的室溫、高溫強度和硬度。但當 C含量超過上限時，材料的鑄造流動性能顯著降低。本發(fā)明的鈦鋁材料均采用海綿鈦、純Al、AlNb50合金、純Ni、AlSi 10合金、純C粉作為原料，在真空感應爐中熔煉并澆鑄渦輪模殼。澆鑄用鈦鋁鑄錠的熔煉方法為首先抽真空至3. 5Pa,對新型鈦鋁合金材料的原材料進行充氬熔煉，氬氣壓力為60000 Pa,全部熔化完成后繼續(xù)攪拌2分鐘，鈦鋁合金鑄錠反復熔煉2次。渦輪模殼的澆鑄工藝為預抽真空度3. 5Pa,鈦鋁鑄錠全部熔化完成后繼續(xù)攪拌 2分鐘后澆鑄渦輪模殼。通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下的有益效果
本發(fā)明提供的一種高溫蠕變性能及鑄造性能優(yōu)異的鈦鋁基合金，該合金屬于Y -TiAl 合金，既有良好的高溫性能，又有良好的鑄造流動性，適合薄壁零件的鑄造，如汽車發(fā)動機渦輪增壓器的渦輪轉(zhuǎn)子。其長期使用溫度在850-950°C溫度，在此溫度下鈦鋁表面無需進行化學處理、熱噴涂、離子注入等提高材料的抗氧化性能。特別適合于鑄造使用溫度在 900-950°C以下工作的汽油發(fā)動機增壓器渦輪轉(zhuǎn)子，具有巨大的市場前景。
具體實施例方式本發(fā)明的鈦鋁材料均采用海綿鈦、純Al、AlNb50合金、純Ni、AlSi 10合金、純C粉作為原料，按實施例1一實施例9的成分及含量要求進行配料，在真空感應爐中熔煉并澆鑄渦輪模殼。澆鑄用鈦鋁鑄錠的熔煉方法為首先抽真空至3. 5Pa，對新型鈦鋁合金材料的原材料進行充氬熔煉，氬氣壓力為60000 Pa，全部熔化完成后繼續(xù)攪拌2分鐘，鈦鋁合金鑄錠反復熔煉2次。渦輪模殼的澆鑄工藝為預抽真空度3. 5Pa,鈦鋁鑄錠全部熔化完成后繼續(xù)攪拌2分鐘后澆鑄渦輪模殼。
實施例1-實施例9的試驗結(jié)果如下表所示。
權(quán)利要求
1.一種高溫蠕變性能及鑄造性能優(yōu)異的鈦鋁基合金，其特征是合金屬于Y-TiAl 合金，具體化學成分及原子百分比組成為A1 :44. (Γ48. 0 at%、Nb 1. (Γ3. 0 at%、Ni 0. 1-3. 0at%、Si和C元素中的其中一種或兩種，其中Si 0-0. 8 at%, C :0-0. 6 at%，而且Si 和C元素的總量為0. 1-0. 9 at%，其余為Ti及不可避免的雜質(zhì)元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鈦鋁基合金，其特征是合金原子百分比組成為Ti-(44.(Γ48.0 )Al- (1. 0 3· 0) Nb- (0. 1-3. 0) Ni-(0. 1-0. 8) Si。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述鈦鋁基合金，其特征是合金原子百分比組成為Ti-(44.(Γ48.0 )Α1-(1· 0 3· 0)Nb-(0. 1-3. 0) Ni -(0. 1-0.6) C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述鈦鋁基合金，其特征是合金原子百分比組成為Ti-(44.(Γ48.0 )A1-(1. 0 3. 0)Nb-(0. 1-3. 0) Ni -(0. 1-0. 8) Si - (0. 1-0. 6) C，而且 Si 和 C 元素的總量為 0.4-0.9 at%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4任一項所述鈦鋁基合金，其特征是合金原子百分比組成為 Al 為 46. 0-48. 0 at% ；Nb 為 2. 0-3. 0 at% ；Ni 為 1. 0 2. 0 at%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述鈦鋁基合金，其特征是合金原子百分比組成為A1為47at% ； Nb 為 2. 0 at% ；Ni 為 1. 0 at%。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述鈦鋁基合金，其特征是合金中Si含量為0.2-0. 6 at%。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述鈦鋁基合金，其特征是合金中C含量為0.2-0. 5 at%。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述鈦鋁基合金，其特征是合金中Si含量為0.2-0. 6 at% ；C含量為 0. 2-0.5 at%。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述鈦鋁基合金，其特征是合金中Si含量為0.4at%;C含量為選 0. 3 at%。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種高溫蠕變性能及鑄造性能優(yōu)異的鈦鋁基合金，屬于γ-TiAl合金，組成為Al44.0~48.0at%、Nb1.0~3.0at%、Ni0.1-3.0at%、Si和C中的一種或兩種，其中Si0-0.8at%，C0-0.6at%，且Si和C總量為0.1-0.9at%，其余為Ti及雜質(zhì)元素。本發(fā)明的鈦鋁基合金既有良好的高溫性能，又有良好的鑄造流動性，適合薄壁零件的鑄造；在850-950℃溫度下表面無需進行化學處理、熱噴涂、離子注入等提高材料的抗氧化性能；特別適合于鑄造在900-950℃以下工作的汽油發(fā)動機增壓器渦輪轉(zhuǎn)子。
文檔編號C22C14/00GK102268569SQ20111021951
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月2日
發(fā)明者劉國良, 包淑娟, 吳勝男, 周洪強, 王孟光, 陳志強 申請人:洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司