一种TiAl合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于TiAl金属间化合物领域，涉及一种主要应用于制造航空发动机叶片，可在700℃～800℃长期使用的高塑性、高强度、耐高温、抗疲劳的锻造TiAl合金及其制备方法。该TiAl合金中加入Cr、Nb、Ta、W、Mo等β稳定元素，还添加少量B、Si等间隙元素。其特征在于TiAl合金原子百分含量为：42％～47％Al、3％～6％Nb、1％～2％Cr、0.1％～0.5％Ta、0％～0.2％W、0％～0.2％Mo、0％～0.2％B、0％～0.2％Si，余量为Ti和不可避免的杂质，其中O含量≤0.1wt％、N含量≤0.015wt％、H含量≤0.01wt％，Fe含量≤0.08wt％。其中各种β稳定元素组合、搭配后的总添加量按[Nb]当量公式计算需控制在6～11之间。该TiAl合金可以在700℃～800℃长期工作，可用于制造航空发动机压气机叶片和低压涡轮叶片等零部件，也可用于制造高超音速飞行器耐高温结构件，在900℃～1000℃短时使用。

A TiAl alloy and its preparation method

The invention belongs to the field of TiAl intermetallics, and relates to a forged TiAl alloy with high plasticity, high strength, high temperature resistance and fatigue resistance, which is mainly used for manufacturing Aeroengine Blades and can be used for a long time from 700 to 800 degrees Celsius and a preparation method thereof. The TiAl alloy contains Cr, Nb, Ta, W, Mo and other beta stable elements, and a small amount of B, Si and other interstitial elements. The characteristics of TiAl alloy are: 42%-47% Al, 3%-6% Nb, 1%-2% Cr, 0.1%-0.5% Ta, 0%-0.2% W, 0%-0.2% Mo, 0%-0.2% B, 0%-0.2% Si, and the remainder is Ti and inevitable impurities, in which the content of O < 0.1wt%, N < 0.015wt%, H < 0.01wt%. The content of Fe is less than 0.08wt%. Among them, the total addition of various beta stable elements and their combination should be controlled between 6 and 11 according to the [Nb] equivalent formula. The TiAl alloy can be used to manufacture compressor blades and low-pressure turbine blades of aero-engines for a long period of time from 700 to 800 degrees C. It can also be used to manufacture high-temperature structural parts of hypersonic aircraft for a short period of time from 900 to 1000 degrees C.

【技术实现步骤摘要】
一种TiAl合金及其制备方法
本专利技术属于TiAl金属间化合物领域，涉及一种主要应用于制造航空发动机叶片，可在700℃～800℃长期使用的高塑性、高强度、耐高温、抗疲劳的锻造TiAl合金及其制备方法。
技术介绍
TiAl基金属间化合物合金具有低密度、高比强度、高比模量、高蠕变抗力、抗氧化、抗燃烧等优异的性能，因此成为极具潜力的轻质耐高温结构材料，目前已经成为下一代高推重比航空发动机的关键材料。从目前TiAl合金的发展情况看，铸造TiAl合金发展得较快，如铸造Ti-48-2Cr-2Nb合金的叶片零件已经开始在航空发动机上应用。但是，铸造TiAl合金的合金化程度较低，合金添加元素种类较少，含量较低，而Al含量较高(大多在47at％～48at％)，因此铸造TiAl合金的强度通常都较低，室温和650℃屈服强度通常只有400MPa左右，因此仅能使用在650℃～700℃温度范围。随着，航空发动机推重比的提高，对TiAl叶片的强度，尤其是疲劳强度提出了更高的要求，因此迫切需要发展高性能的锻造TiAl合金。在TiAl合金中添加多种合金化元素，提高TiAl合金的合金化元素含量，通过固溶强化提高TiAl合金强度是非常有效的技术途径。对于TiAl合金而言，大多数固溶强化元素都是β稳定化元素，例如：Cr、Nb、Ta、W、Mo、V、Fe、Ni等。但是，由于TiAl合金是长程有序的金属间化合物材料，TiAl合金中的γ和α2两相分别为有序的L10和D019晶体结构，大多数β相稳定化元素在γ和α2两相中的固溶度都比较低，当β稳定化元素添加量超过固溶度极限时，会在TiAl合金中形成有序体心立方晶体结构的B2相，当B2相含量较高时，会显著降低TiAl合金室温塑性，导致无法应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有室温高塑性、耐高温、抗疲劳的TiAl合金及其热挤压、锻造和热处理方法。这种TiAl合金适合于制造长期使用温度在700℃～800℃的航空发动机零部件。本专利技术的技术解决方案是，在TiAl合金中加入β相稳定元素Cr、Nb、Ta、W、Mo进行固溶强化，还添加少量B、Si间隙元素，TiAl合金原子百分含量为：42％～47％Al、3％～6％Nb、1％～2％Cr、0.1％～0.5％Ta、0％～0.2％W、0％～0.2％Mo、0％～0.2％B、0％～0.2％Si，余量为Ti和不可避免的杂质，其中O含量≤0.1wt％、N含量≤0.015wt％、H含量≤0.01wt％，Fe≤0.08wt％，其中各种β稳定元素组合、搭配后的总添加量按[Nb]当量公式计算需控制在6～11之间，按原子百分含量计算的[Nb]当量公式为：[Nb]＝1×％Nb+2.4×％Cr+2×％Ta+6×％W+6×％Mo(1)。所述的TiAl合金的原子百分含量为：43％～46％Al、4％～5％Nb、1.5％～1.8％Cr、0.2％Ta、0％～0.2％B，[Nb]在当量在8～9.72之间，余量为Ti和不可避免的杂质。所述的TiAl合金的原子百分含量为：46％Al、4％Nb、1.8％Cr、0.2％Ta、0％～0.2％B，[Nb]当量为8.72，余量为Ti和不可避免的杂质。所述的TiAl合金成分(按原子百分含量)为：45％Al、5％Nb、1.8％Cr、0.2％Ta、0％～0.2％B，[Nb]当量为9.72，余量为Ti和不可避免的杂质。所述的TiAl合金的原子百分含量为：46％Al、4％Nb、1.8％Cr、0.2％Ta、0.2Si％、0.2％B，[Nb]当量为8.72，余量为Ti和不可避免的杂质。所述的TiAl合金的原子百分含量为：43.5％Al、5％Nb、1.8％Cr、0.2％Ta、0.2％B，[Nb]当量为9.72，余量为Ti和不可避免的杂质。所述的TiAl合金的原子百分含量为：46％Al、4％Nb、1.5％Cr、0.2Ta、0.2％W、0.2％B、0.2％Si，[Nb]当量为9.2，余量为Ti和不可避免的杂质。所述的TiAl合金的原子百分含量为：43.5％Al、5％Nb、1.5％Cr、0.1Ta、0.2％Mo、0.2％B，[Nb]当量为10，余量为Ti和不可避免的杂质。本专利技术的TiAl合金按如下步骤进行制备：(1)铸锭熔炼将零级海绵钛、A00级高纯铝、金属Cr、Al-Nb中间合金、Al-Ta中间合金、Al-W中间合金、Al-Mo中间合金、Al-Ti-B中间合金、Al-Si中间合金按照成分配比将原材料混合均匀后，在压力机上压制成电极块。电极块焊接后，在真空自耗熔炼炉内进行三次熔炼，熔炼真空度低于5Pa，熔炼电流根据锭型尺寸控制在3kA～6kA范围内，熔炼电压23～27V，三次熔炼后获得直径Φ180mm～Φ240mm铸锭；(2)挤压变形将TiAl合金铸锭进行包套挤压变形，包套材采用不锈钢，包套与TiAl合金铸锭之间添加隔热材料，挤压变形温度范围1050℃～1250℃，挤压比大于4:1，挤压变形后将棒材空冷或炉冷至室温；(3)等温锻造将TiAl合金挤压棒材加热到1000℃～1250℃，锻造模具加热到900℃～1150℃，锻造变形速率控制在0.001s-1～0.1s-1范围内，锻造变形量≥40％，锻造变形后将锻件空冷或炉冷至室温；(4)均匀化退火将TiAl合金挤压棒材或等温锻件加热到1050℃～1200℃，保温4～48小时，而后冷却到室温或者直接升温到固溶温度；(5)固溶热处理根据性能要求，将均匀化退火后的TiAl合金挤压棒材或等温锻件进行两相区或者单相区固溶处理：①γ+α两相区固溶处理：1250℃～Tα-15℃(Tα为γ→α相变温度)，保温0.5～6小时，而后空冷或炉冷到室温；②α单相区固溶处理：Tα+5℃～Tα+20℃，保温5min～2小时，而后空冷、炉冷或者油淬到室温；(6)时效热处理将经过固溶处理后的TiAl合金挤压棒材加热到900℃～950℃，保温2～8小时，而后炉冷到室温。本专利技术具有的优点和有益效果，我们的研究表明，主要的合金化元素对TiAl合金中β相稳定作用的相对强弱关系为：W&gt;Mo&gt;Cr&gt;Ta&gt;Nb。Nb在TiAl合金中β稳定化作用最弱，其在γ和α2中的固溶度均可达6at％左右，Nb可有效提高高温强度，并且可以改善高温抗氧化性能，因此可以作为TiAl合金主要的固溶强化元素。Ta和Nb同是同族元素，Ta的作用和Nb类似，其在γ和α2中的固溶度约3at％左右，Ta和Nb共同添加能更有效提高高温强度。Cr在γ相中的固溶度约2.5at％，添加适量的Cr可以改善室温塑性。W和Mo可以提高抗蠕变性能，但它们是强烈的β稳定化元素，在γ和α2相中的固溶度1at％左右，少量添加就会产生较多的B2相，因此添加量不宜太高。本专利技术首次提出了[Nb]当量计算公式(1)，根据各种β稳定化元素相对于Nb元素的β稳定化效果的强弱，以Nb元素的固溶度与其他几种元素的固溶度的比值确定公式中的各项系数。我们的研究结果表明，根据该公式计算的[Nb]当量应控制在6～11之间，这样即能获得较好的固溶强化效果，同时可以将B2相含量控制在10％以下，不会严重降低室温塑性。对于V、Fe、Ni等其他β稳定化元素，在本专利技术的TiAl合金中作为杂质元素来控制，因为V会本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TiAl合金，在TiAl合金中加入β稳定元素Cr、Nb、Ta、W、Mo，还添加少量B、Si间隙元素，其特征在于TiAl合金原子百分含量为：42％～47％Al、3％～6％Nb、1％～2％Cr、0.1％～0.5％Ta、0％～0.2％W、0％～0.2％Mo、0％～0.2％B、0％～0.2％Si，余量为Ti和不可避免的杂质，其中O含量≤0.1wt％、N含量≤0.015wt％、H含量≤0.01wt％，Fe含量≤0.08wt％，其中各种β稳定元素组合、搭配后的总添加量按[Nb]当量公式计算需控制在6～11之间，按原子百分含量计算的[Nb]当量公式为：[Nb]＝1×％Nb+2.4×％Cr+2×％Ta+6×％W+6×％Mo                 (1)。

【技术特征摘要】
1.一种TiAl合金，在TiAl合金中加入β稳定元素Cr、Nb、Ta、W、Mo，还添加少量B、Si间隙元素，其特征在于TiAl合金原子百分含量为：42％～47％Al、3％～6％Nb、1％～2％Cr、0.1％～0.5％Ta、0％～0.2％W、0％～0.2％Mo、0％～0.2％B、0％～0.2％Si，余量为Ti和不可避免的杂质，其中O含量≤0.1wt％、N含量≤0.015wt％、H含量≤0.01wt％，Fe含量≤0.08wt％，其中各种β稳定元素组合、搭配后的总添加量按[Nb]当量公式计算需控制在6～11之间，按原子百分含量计算的[Nb]当量公式为：[Nb]＝1×％Nb+2.4×％Cr+2×％Ta+6×％W+6×％Mo(1)。2.根据权利要求1所述的一种TiAl合金，其特征在于，TiAl合金的原子百分含量为：43％～46％Al、4％～5％Nb、1.5％～1.8％Cr、0.2％Ta、0％～0.2％B，[Nb]当量在8～9.72之间，余量为Ti和不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的一种TiAl合金，其特征在于，TiAl合金的原子百分含量为：46％Al、4％Nb、1.8％Cr、0.2％Ta、0％～0.2％B，[Nb]当量为8.72，余量为Ti和不可避免的杂质。4.根据权利要求1所述的一种TiAl合金，其特征在于，TiAl合金成分(按原子百分含量)为：45％Al、5％Nb、1.8％Cr、0.2％Ta、0％～0.2％B，[Nb]当量为9.72，余量为Ti和不可避免的杂质。5.根据权利要求1所述的一种TiAl合金，其特征在于，TiAl合金的原子百分含量为：46％Al、4％Nb、1.8％Cr、0.2％Ta、0.2Si％、0.2％B，[Nb]当量为8.72，余量为Ti和不可避免的杂质。6.根据权利要求1所述的一种TiAl合金，其特征在于，TiAl合金的原子百分含量为：43.5％Al、5％Nb、1.8％Cr、0.2％Ta、0.2％B，[Nb]当量为9.72，余量为Ti和不可避免的杂质。7.根据权利要求1所述的一种TiAl合金，其特征在于，TiAl合金的原子百分含量为：46％Al、4％Nb、1.5％Cr、0.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李臻熙，高帆，刘宏武，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11