本发明专利技术涉及一种添加有微量硼的铌钛铝合金及其制备方法，其特征在于：按原子百分比计在铌钛铝合金中添加0.5％-5％的硼。经过实验证明，在含铌30％-60％，含钛10％-50％，含铝0-30％的这一类高温结构材料中，添加微量硼(0.5％-5％)作为晶粒细化剂，可以显著细化合金的晶粒和微观组织，从而提高合金的力学性能，增强增韧，防止合金开裂。成分处于铌30％-60％，钛10％-50％，铝0-30％区间范围内的合金主要成分为β/B2相，因此这种晶粒细化技术对所描述的成分区间都有效。采用本发明专利技术的制备方法细化铌钛铝合金组织的工艺简单、实用，同时可以起到铌钛铝合金增强增韧的作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及。
技术介绍
铌是密度最低的难溶金属，仅为8.57克/立方厘米，可以与钛无限固溶形成合金，但铌钛合金在KKKTC时存在超塑性现象，延伸率达到224%，因而限制了其高温应用。在铌钛合金中添加了适量铝之后，在显著提升合金的高温力学强度的同时，还能够降低合金的密度和改善合金的高温抗氧化能力，从而作为在1000°C至1300°C使用的高温结构材料。如美国GE公司的Melvin R. Jackson的专利便做过一种密度为6. 33g/cm3 的含银45%、含钛45% (原子百分比，以下涉及合金组分含量百分比为原子百分比)、含铝10%的合金材料和另一种密度仅为5. 95g/cm3含铌40%、含钛40%、含铝20%合金材料的比较。结果发现含铝20%合金在室温、600°C、900°C下的屈服强度显著高于含铝10%的合金，而在1200°C时，纯氩气环境下，两种合金仍然具有4-5ksi (约28-34Mpa)的屈服强度。此外，当合金中的铝含量达到一定水平时，高温下会在合金表面形成铝的氧化层，从而阻止氧气在合金中的扩散，使合金具有较好的抗氧化能力。这方面的工作已经被充分研究和报导过。因为具有低密度和较好高温力学强度的优势，这一类合金有望用于航空和航天领域，如航天发动机的尾喷管便可用这一类的材料制成。目前美国已经在此这一类合金的基础上开发出一种更为先进的Nb+40Ti+10Al+8Cr+2Hf合金(含40%钛、10%铝、8%铬和2%铪，余量为铌，下同)，该合金在1200°C下具有77Mpa的抗拉强度。而俄国研发的Nb+40Ti+15Al+2W合金在1100°C下SOMpa的抗拉强度也能满足航空航天的工业需要。但是，合金中铝的加入同时也导致了合金具有严重的室温脆性的问题，如上述提到的GE公司的Melvin R. Jackson的实验中，含铝10%合金的室温延伸率为33%，而含铝20%合金的室温延伸率仅为15%。此外，含铝20%的合金由于晶体结构和性质的变化，在600°C和900°C下延伸率甚至低于室温，分别为13%和2. 3% !铝的添加，还会导致氢脆以及各种铸造缺陷的产生。某些同类型合金有时用铬来替换铝的抗氧化作用和强化作用。但铬和铝的共同添加并不能明显改善合金的塑性。因为在Nb-Ti-Al合金中铬主要是替换铝原子的位置，但铬会在晶界和亚晶界上出现晶界偏析，导致沿晶脆性断裂，使合金性能进一步恶化。塑性下降和铸造缺陷的直接后果，既有可能在铸锭出炉后便在内应力作用下出现裂纹，成为废品。此外，较差的室温脆性，换言之也意味着合金的韧脆转变温度较高。而在某些工业应用方面，比如上述提到的航天火箭尾喷管，则必须经过锻造过程。高的韧脆转变温度则直接导致这一加工过程无法实现。在上面提到的美国Nb+40Ti+10Al+8Cr+2Hf合金中，加入2%的铪可以一定程度上改善合金的塑性。但因为铪较贵，使得这一工艺的价值有较大折扣。提高合金的晶粒度对于改善合金的力学性能和降低韧脆转变温度，乃至于提高合金的耐热疲劳性和循环寿命具有重要意义。根据霍尔-佩奇(Hall-Petch)公式，晶粒度越细(晶界面积越大)，多晶体的室温强度越高。因此细化晶粒，可以有效改善合金的力学性能。同时，晶界是裂纹扩展的阻力。随着晶界总面积的增加，晶界上杂质浓度下降，可以有效抑制沿晶脆性断裂的产生。晶粒的细化抑制裂纹的同时，也降低了韧脆转变温度。晶粒度越细，韧脆转变温度越低，越不容易发生脆断，塑性越好。两者之间服从公式=TeOC lnd-l/2(其中，Tc为韧脆转变温度，d代表晶粒直径)。因而细化晶粒度对于这类Nb-Ti-Al合金进入更大规模工业应用而言，具有重要的意义。晶粒细化可以通过改善铸造工艺、添加晶粒细化剂和热处理实现。综合来看，添加晶粒细化剂，改善合金成分是最为经济的方案。很早人们就认识到，如果在铝合金中添加微量的钛，会导致组织的细化。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种添加有微量硼的铌钛铝(Nb-Ti-Al)合金，能够提高合金的力学性能，增强增韧，防止合金开裂；本专利技术的目的之二是提供一种上述合金的制备方法，能够解决铌钛铝合金的室温 脆性问题并且细化铌钛铝合金铸态组织的晶粒。一种添加有微量硼的铌钛铝合金，其特别之处在于按原子百分比计在铌钛铝合金中添加O. 5% -5%的硼。其中铌钛铝合金中含30% -60%原子百分比的铌。一种添加有微量硼的铌钛铝合金的制备方法，其特别之处在于按照权利要求I或2的配比将原料混合均匀后，在真空熔炼设备中熔炼为合金即可。其中原料硼采用的是单质硼、铝硼中间合金、钛硼中间合金和铌硼中间合金中的至少一种。经过实验证明，在含铌30% -60%，含钛10% -50%，含铝0-30%的这一类高温结构材料中，添加微量硼(0.5% -5% )作为晶粒细化剂，可以显著细化合金的晶粒和微观组织，从而提高合金的力学性能，增强增韧，防止合金开裂。成分处于铌30% -60%，钛10% -50%，铝0-30%区间范围内的合金主要成分为β /Β2相，因此这种晶粒细化技术对所描述的成分区间都有效。采用本专利技术的制备方法细化铌钛铝合金组织的工艺简单、实用，同时可以起到铌钛铝合金增强增韧的作用。附图说明图I是完全未加硼的Nb-Ti-Al合金放大200倍的金相形貌图，可以看出以粗大等轴晶为王；图2是添加了原子百分比O. 2%硼的Nb-Ti-Al合金放大200倍的形貌图，可以看出细化效果并不理想；图3是添加了原子百分比O. 5%硼的Nb-Ti-Al合金放大200倍的形貌图，可以看出细化作用开始显著；图4是添加了原子百分比O. 8%硼的Nb-Ti-Al合金放大200倍的形貌图；图5是添加了原子百分比1%硼的Nb-Ti-Al合金放大200倍的形貌图；图6是添加了原子百分比2%硼的Nb-Ti-Al合金放大200倍的形貌图；图7是添加了硼分别为0、0·2%、0·5%、0·8%、1% (原子百分比)的Nb-Ti-Al合金等轴晶的晶粒直径相互比较的柱状图，细化前的等轴晶直径约300 μ m，当硼含量超过O. 5%后，晶粒直径已经接近100 μ m。继续添加硼元素，晶粒度还可进一步降低。具体实施例方式本专利技术的合金中硼可以用单质硼、以及铝硼中间合金、钛硼中间合金和铌硼中间合金等形式添加到熔炼合金所用的原材料中。硼有最佳添加范围,仅当其摩尔量超过合金总摩尔量的O. 5%以上时,细晶作用才开始显著。具体添加的原子百分比应在O. 5%到5%之间。将所有原料混合均匀后，在真空熔炼设备中熔炼为合金铸锭。经过这种工艺生产的合金铸锭的晶粒直径要比完全不添加硼合金的晶粒直径细化3倍甚至更多。 本专利技术所使用的铌钛铝合金是指不含微量硼，但符合下列组成的合金含30% -60%原子百分比的铌、含10% -50%原子百分比的钛、含0-30%原子百分比铝，含0-15%原子含量的Cr元素的合金，除上述主要成分之外还可能含有2-5%原子含量的铪、钨、钥、锆元素。主要包括俄国BH系列铌基合金和美国通用电器公司所申请的一系列新型铌基低密度合金专利，如US4931254、US5019334、US4931254A等，以及日本所申请的系列合金专利，如 JP2001271131。实施例I :本实施方案中作为Nb-T本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种添加有微量硼的铌钛铝合金，其特征在于按原子百分比计在铌钛铝合金中添加0. 5% -5%的硼。2.如权利要求I所述的一种添加有微量硼的铌钛铝合金，其特征在于其中铌钛铝合金中含30% -60%原子百分比的铌。3.一种添加有微量硼的铌钛铝合金的...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪燕青，刘兆刚，刘创红，李娜，王东新，孙本双，
申请(专利权)人：国家钽铌特种金属材料工程技术研究中心，
类型：发明
国别省市：
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