低铌β凝固γ-TiAl合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低铌β凝固γ

【技术实现步骤摘要】
低铌
β
凝固
γ
‑
TiAl合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及合金材料
，尤其涉及一种低铌β凝固γ
‑
TiAl合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]γ
‑
TiAl基合金，(下文简称TiAl合金)，具有低密度、高比强度、良好抗氧化性能等优点，在600
‑
900℃温度区间有望取代高温合金，制备某些航空航天结构件及地面动力系统转动或往复运动结构件，实现推力重量比值和燃油效率的大幅度提高，被认为是具有应用潜力的新一代轻质耐高温结构材料。
[0003]添加合金元素是一种改善TiAl合金抗氧化性能的重要手段，高铌TiAl合金(Ti
‑
45Al
‑
(8
‑
10)Nb)就是利用高的Nb含量大幅改善合金抗高温氧化性的典型范例，曾被Young
‑
Won Kim博士公开指出是发展高温高性能TiAl合金的首例。但是TiAl合金中Nb含量提高至4at.％及以上，这类合金中易析出脆性的ω相(Ti4Al3Nb)，此外，Nb含量高的TiAl合金热加工性较差，即使可以实现高温热加工也往往需要在包套或等温的苛刻条件进行，加工工序复杂，成本昂贵。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种低铌β凝固γ
‑
TiAl合金及其制备方法，旨在解决高铌TiAl合金易析出脆性ω相，高温热加工性差的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供一种低铌β凝固γ
‑
TiAl合金，以原子百分比计，包括43.0％
‑
45.0％的Al、1.0％
‑
2.0％的Mn、2.0％
‑
3.5％的Nb、0.1％
‑
0.5％的Si、0.1％
‑
0.5％的B、0.1％
‑
0.5％的C，其余为Ti和不可避免的杂质元素。
[0006]可选地，所述低铌β凝固γ
‑
TiAl合金还包括原子百分比为0
‑
0.2％的Y。
[0007]可选地，所述杂质元素包括O、N和H，其中，O元素含量小于或等于0.08wt.％，N元素含量小于或等于0.01wt.％，H元素含量小于或等于0.002wt.％。
[0008]此外，为实现上述目的，本专利技术还提供一种低铌β凝固γ
‑
TiAl合金的制备方法，用于制备如上文所述的低铌β凝固γ
‑
TiAl合金，所述制备方法包括以下步骤：
[0009]根据原子百分比取Ti、Al、Mn、Nb、Si、B、C、Y元素的原材料，熔炼处理获得铸锭；
[0010]在大气环境下对所述铸锭进行锻造和轧制变形处理，得到β凝固γ
‑
TiAl合金材料。
[0011]可选地，在所述在大气环境下对所述铸锭进行锻造和/或轧制变形处理，得到β凝固γ
‑
TiAl合金材料的步骤之前，所述制备方法还包括：
[0012]将所述铸锭加热至1320
‑
1380℃，保温0.5
‑
2h。
[0013]可选地，所述原材料包括海绵钛、工业纯铝、提纯锰、铝铌中间合金、TiB2粉末、石墨、高纯硅和金属钇。
[0014]可选地，所述熔炼处理获得铸锭的方式包括真空感应、真空感应与真空自耗综合
工艺和等离子弧。
[0015]可选地，锻造处理过程中，对所述铸锭进行多次镦粗或拔长，每火次的终锻温度大于或等于1100℃。
[0016]可选地，轧制变形处理过程中，采用Y型轧机进行一火多道次轧制。
[0017]可选地，所述β凝固γ
‑
TiAl合金材料在850℃下为完全抗氧化级别，850℃时效处理后延伸率大于5.0％。
[0018]本专利技术提供的低铌β凝固γ
‑
TiAl合金及其制备方法，控制合金中铌含量在较低范围，通过Mn元素的加入，保证合金的β凝固，减少脆性ω相的析出，确保合金可以实现常规条件下的热变形，提高合金的热加工性，微量Si、B、C元素的加入，则可以细化合金组织，改善合金的高温强度，形成了较宽的热加工窗口，确保低铌β凝固γ
‑
TiAl合金适用于无包套、非等温的锻、轧变形，高温热加工性能得到极大的改善。
附图说明
[0019]图1为本专利技术低铌β凝固γ
‑
TiAl合金的制备方法一实施例的流程示意图；
[0020]图2为本专利技术实施例1合金在大气环境下轧制后的轧棒图片；
[0021]图3为本专利技术实施例1合金经常规条件轧制后的显微组织图片；
[0022]图4a为本专利技术实施例1合金在850℃/1h循环氧化10周次后的表面低倍形貌图；
[0023]图4b为本专利技术实施例1合金在850℃/1h循环氧化100周次后的表面低倍形貌图。
[0024]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0025]应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0026]TiAl合金具有低密度(小于4g/cm3)、高比强度、良好抗氧化性能等优点，在600
‑
900℃温度区间有望取代高温合金，制备某些航空航天结构件及地面动力系统转动或往复运动结构件，实现推力重量比值和燃油效率的大幅度提高，被认为是具有应用潜力的新一代轻质耐高温结构材料。近二十年来，世界许多国家都把TiAl合金的制备和应用当作本国未来结构材料的重要发展计划。如美国新一代航天飞机(X
‑
30)已将TiAl合金作为发动机部件、支架和蒙皮的候选材料。我国也将TiAl合金的研究列入国家863、973高技术材料发展计划。
[0027]TiAl合金成分主要是以Ti和Al元素为主，并含有一定量的Nb、Cr、Mn、Mo等合金元素，因其在主元素Ti的基础上，引入了大量Al元素(例如，40
‑
48at.％)，从而大幅提高了合金的高温抗氧化性，突破传统钛合金难以在更高温度(650℃以上)服役的瓶颈。然而，随着服役温度的进一步升高，如750℃，TiAl合金仍存在高温抗氧化性不足的瓶颈。其主要原因为，在Ti
‑
Al二元体系中，能形成具有强保护性的单一Al2O3氧化膜对应的Al临界含量为59at.％，换言之，在40
‑
48at.％Al条件下的TiAl合金高温氧化膜将主要由TiO2(氧化初期为TiO)和Al2O3混合氧化物层构成。通常而言，TiO2氧化膜结构疏松，Al2O3结构致密，且因二者氧化物间物性差异往往会导致该混合氧化层容易出现孔洞，使其在服役过程中极易脱落，限制其更高温度的应用。
[0028]添加合金元素常被用来作为改善TiAl合金抗氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低铌β凝固γ
‑
TiAl合金，其特征在于，以原子百分比计，包括43.0％
‑
45.0％的Al、1.0％
‑
2.0％的Mn、2.0％
‑
3.5％的Nb、0.1％
‑
0.5％的Si、0.1％
‑
0.5％的B、0.1％
‑
0.5％的C，其余为Ti和不可避免的杂质元素。2.如权利要求1所述的低铌β凝固γ
‑
TiAl合金，其特征在于，所述低铌β凝固γ
‑
TiAl合金还包括原子百分比为0
‑
0.2％的Y。3.如权利要求1或2所述的低铌β凝固γ
‑
TiAl合金，其特征在于，所述杂质元素包括O、N和H，其中，O元素含量小于或等于0.08wt.％，N元素含量小于或等于0.01wt.％，H元素含量小于或等于0.002wt.％。4.一种低铌β凝固γ
‑
TiAl合金的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1
‑
3中任一项所述的低铌β凝固γ
‑
TiAl合金，所述制备方法包括以下步骤：根据原子百分比取Ti、Al、Mn、Nb、Si、B、C、Y元素的原材料，熔炼处理获得铸锭；在大气环境下对所述铸锭进行锻造和/或轧制变形处理，得到β凝固γ
‑
TiA...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘奎，李小兵，陈波，舒磊，张孟殊，
申请(专利权)人：季华实验室，
类型：发明
国别省市：