鑄造用鈦鋁基合金及其製備方法

2023-09-18 06:57:50

鑄造用鈦鋁基合金及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鑄造用鈦鋁基合金及其製備方法，屬γ-TiAl基金屬間化合物合金材料領域。該合金按原子百分比包括：Ti-(46.0～48.0)Al-(1.5～3.5)V-(0.5～1.5)Cr-(0.1～0.5)M，其中，M為Zr和Hf中的一種或兩種，其餘為雜質元素。進一步，按原子百分比可加入(0.1～0.5)C。該合金通過添加微量的固溶強化元素Zr和/或Hf以及彌散強化相形成元素C，在保持2.0％以上室溫拉伸塑性的前提下，明顯提高合金的高溫強度、蠕變抗力和組織穩定性，從而改善該鑄造鈦鋁基合金的高溫服役性能，並將原有合金使用溫度從750℃提高到850℃。適於製備長期工作於750℃～850℃的鈦鋁合金薄壁鑄件，如車用發動機增壓器渦輪和航空發動機低壓渦輪葉片這類承受沿葉片長度方向載荷作用的部件。
【專利說明】鑄造用鈦鋁基合金及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及Y-TiAl基金屬間化合物輕質高溫結構材料製備領域,特別是涉及一種在保持室溫拉伸塑性的前提下高溫力學性能明顯改善的鑄造用鈦鋁基合金及其製備方法。
【背景技術】
[0002]航空、航天、車輛、艦船發動機性能的提高，要求發展比強度高、比模量高和耐更高使用溫度的新型高溫結構材料。Y-TiAl基合金具有低密度、較高彈性模量以及良好的高溫強度、抗蠕變和抗氧化等優點，應用於航空、航天和車用發動機熱端部件將通過結構減重提高發動機的工作效率，具有重要的技術推動作用。例如，與裝配鎳基高溫合金增壓器渦輪的發動機相比，配備鈦鋁合金增壓器渦輪的柴油發動機，響應時間、比油耗和穩態煙度均明顯降低，發動機性能顯著提高，並產生了明顯節能減排效果。然而，鈦鋁基合金室溫本徵塑性不足，限制了其工程化應用。近年來，通過組織控制和合金化基本解決了其室溫脆性問題，部分鈦招基合金已經具備工程應用的條件。
[0003]鋼鐵研究總院申請的專利CN1024927中記載，控制Ti/Al原子比並應用Cr和V兩種元素的複合合金化，T1-(30~34wt% )A1-(1~6wt% )V_(1~6wt% )Cr合金室溫拉伸塑性變形可達4.8%，創當時國際上TiAl金屬間化合物合金室溫拉伸塑性的最高水平；同時，該成分的鑄造合金也表現出優異的室溫拉伸塑性(大於1.7%)。進一步優化Ti/Al原子比以及Cr和V的配合，得到了室溫拉伸塑性進一步改善的T1- (46.0~48.0)、A1_ (1.5~3.5)V-(0.5~1.5)Cr合金。力學 性能測試表明，該鑄造合金表現出優異的室溫拉伸塑性和強度組合，其中，室溫拉伸塑性大於2.5%，同時，在650~750°C範圍內具有較好的高溫強度和蠕變抗力。然而，由於未添加高熔點合金元素(Nb、W、Mo、Ta等)或者彌散相形成元素(C、B、Si等)，該合金高溫強度、蠕變抗力、長時組織穩定性尚不能滿足750°C以上溫度的使用要求。因而，需要找到一種方法，在保持室溫拉伸塑性的前提下，改善該合金的高溫力學性能，以滿足更高溫度使用的要求。
[0004]添加高含量的高熔點合金元素，通過固溶強化和提高組織穩定性，可改善鈦鋁基合金的高溫力學性能。例如，專利US5207982和US5286443報導，添加高含量(I~4at% )的高熔點合金元素Nb、W、Mo、Ta、Y、Zr、Hf，可明顯改善鈦鋁合金的高溫強度、抗腐蝕性和抗氧化性，但均導致室溫拉伸塑性明顯降低。專利US5286443認為，當這些高熔點合金元素(Nb、W、Mo、Ta、Y、Zr、Hf)添加量小於0.5&丨％時，其強化作用很小。專利EP0636701報導，鑄造 T1-47Al-2Nb-lMn-0.5ff-0.5Mo_0.2Si(at% )合金 65(TC /276MPa、76(TC /138MPa、815°C /138MPa蠕變量0.5%所對應時間是T1-48Al-2Cr-2Nb(at% )的10倍以上，但前者
1.3%的室溫拉伸塑性也低於後者2.0%以上的室溫拉伸塑性。這表明，高熔點合金元素添加量約0.5at%、多種元素的微合金化方法的確有利於改善鈦鋁合金的蠕變性能，但仍造成了鈦鋁合金室溫拉伸塑性明顯降低。
[0005]添加C、B、Si等元素形成彌散強化相，可改善高溫力學性能。例如，專利EP2657358報導，添加0.016~0.05wt % C，改善了鑄造T1-48Al-2Cr-2Nb (at % )合金的抗蠕變性能，將其使用溫度從760°C提高至870°C，但是其室溫拉伸塑性從2.0%以上降低到
0.3~1.6%。專利EP1052298也報導了相似的現象，在鑄造47A1XD合金中添加0.037~
0.069wt % C，可明顯改善 650°C /276MPa、760°C /138MPa、815°C /138MPa 的蠕變性能，同時，其室溫拉伸塑性也從0.8%降低到0.4%。顯然，添加微量的C的確有利於改善合金高溫蠕變性能，但也導致了室溫拉伸塑性的降低。此外，專利US6294132報導，在鈦鋁合金中添加0.2~0.5at% Si,可明顯改善合金的抗氧化性,且形成的Ti5Si3相可明顯提高合金的高溫強度和蠕變強度，但也造成合金室溫拉伸塑性降低。專利US5284620報導，在T1-47Al-2Mn-2Nb合金中添加0.3at% B,形成TiB2強化相，可明顯提高合金的高溫強度，但其室溫拉伸塑性也從1.7%降低到0.5%。可見，添加C、S1、B等彌散強化相形成元素，的確提高合金的高溫力學性能，但都不同程度地降低了合金的室溫拉伸塑性。
[0006]可見，在現有技術條件下，添加高含量的高熔點合金元素以及微量的彌散強化相形成元素，儘管可明顯改善鈦鋁基合金的高溫力學性能，但均不同程度地降低了室溫拉伸塑性(使室溫拉伸塑性小於2.0% )。

【發明內容】

[0007]本發明要解決的技術問題是提供一種改善鑄造鈦鋁基合金高溫力學性能的微合金化方法，能在改善鈦鋁基合金的高溫力學性能的同時，保持2%的室溫拉伸塑性，從而解決現有方法存在雖改善了鈦鋁基合金的高溫力學性能，但均無法保持室溫拉伸塑性不小於2%的問題。
[0008]為解決上述技術問題，本發明提供一種鑄造用鈦鋁基合金，該合金原子百分比包括:
[0009]T1-(46.0 ~48.0) Al-(1.5 ~3.5) V-(0.5 ~1.5) Cr-(0.1 ~0.5)M，其中，M 為 Zr和Hf中的一種或兩種,其餘為雜質元素。
[0010]本發明實施例還提供一種對權利要求1鑄造用鈦鋁基合金的製備方法，包括:
[0011]以原子百分比為T1-(46.0~48.0) Al-(1.5~3.5) V-(0.5~1.5) Cr的合金為原料；
[0012]向所述原料中加入原子百分比(0.1~0.5)M，其中，M為Zr和Hf中的一種或兩種，加入M後製成的合金即為鑄造用鈦鋁基合金。
[0013]本發明的有益效果為:通過加入與Ti屬於同一副族元素的高熔點合金元素Zr和/或Hf，並控制加 入量小於等於0.5at %，Zr和/或Hf與Ti元素具有相同的最外層電子排列和晶體結構，能與Ti形成無限固溶體，在保持2.0%以上室溫拉伸塑性的前提下，明顯提高合金的高溫強度、蠕變強度和組織穩定性的前提下，有效改善了該合金的高溫服役性能。本發明突破了鈦鋁基合金中高熔點合金元素添加量小於等於0.5at%時強化作用幾乎消失的合金化設計理念，通過採用與合金中Ti屬於同一副族元素的低添加量高熔點合金元素的方式，實現在保持室溫拉伸塑性的前提下改善了鑄造鈦鋁基合金高溫力學性能的效果。
【具體實施方式】
[0014]下面對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。
[0015]本發明實施例提供一種鑄造用鈦鋁基合金，該合金按原子百分比(at% )包括:T1-(46.0 ~48.0)Α1-(1.5 ~3.5)V-(0.5 ~1.5)Cr-(0.1 ~0.5)Μ，其中，M 為 Zr 和 Hf 中的一種或兩種，其餘為雜質元素。
[0016]具體的，該鑄造用鈦鋁基合金按原子百分比組成為以下中的任一種:
[0017](I) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) Zr ;
[0018](2) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) Hf ;
[0019](3) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) (Zr+Hf)；
[0020]優選的，上述合金中，M採用Zr和Hf，M的原子百分比為(0.2~0.5)。該鑄造用鈦鋁基合金按原子百分比具體組成 為:T1-(46.0~48.0)A1-(1.5~3.5)V-(0.5~1.5)Cr- (0.2 ~0.5) (Zr+Hf)。
[0021]在上述合金的基礎上，按原子百分比還可以進一步加入(0.1~0.5) C，該鑄造用鈦鋁基合金原子百分比具體組成為以下中的任一種:
[0022](5) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) Zr- (0.1 ~
0.5)C ；
[0023](6) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) Hf-(0.1 ~
0.5)C ；
[0024](7)T1-(46.0 ~48.0)Α1_(1.5 ~3.5)V_(0.5 ~1.5)Cr_(0.1 ~0.5)(Zr+Hf) - (0.1 ~0.5) C ;
[0025]優選的，該鑄造用鈦鋁基合金按原子百分比組成為:Ti_(46.0~48.0)A1-(1.5~
3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.2 ~0.5) (Zr+Hf) - (0.1 ~0.5) C。
[0026]上述合金中單獨加入Zr時，Zr的優選原子百分含量可以為:0.1~0.3&七％，更優選為0.2at% ;單獨加入Hf，Hf的優選原子百分含量可以為0.1~0.3at%，更優選為
0.2at% ；C的優選原子百分含量可以為0.2~0.3at%，更優選為0.2%。
[0027]本發明實施例還提供一種製備上述鑄造用鈦鋁基合金的製備方法，包括以下步驟:
[0028]以原子百分比為T1-(46.0~48.0) Al-(1.5~3.5) V-(0.5~1.5) Cr的合金為原料；
[0029]向所述原料中加入原子百分比(0.1~0.5)M，其中，M為Zr和Hf中的一種或兩種，形成的合金即為鑄造用鈦鋁基合金。具體可採用真空自耗電弧爐或者水冷銅坩堝真空感應爐冶煉得到該合金。
[0030]進一步的，上述方法還包括:向所述原料中按原子百分比加入(0.1~0.5)C。優選的，按原子百分比C的加入量為(0.2~0.3)。
[0031 ] 本發明實施例的鈦鋁基合金中，Zr和Hf與Ti屬於同一副族元素，具有相同的最外層電子排列和晶體結構，且能和Ti形成無限固溶體，這兩個元素均屬於高熔點合金元素。
[0032]該合金中，單獨添加微量(小於等於0.5at%)的Zr，通過固溶強化和細化層片間距提高材料強度，且可通過降低Al在基體中的擴展係數抑制層片組織在後續熱處理和使用過程中的分解，由此改善了合金的高溫強度、蠕變抗力和長時組織穩定性。當Zr含量超過本發明限定的上限(大於0.5at% )時，凝固過程中易形成初生β相，殘餘β相轉變得到的B2相不利於室溫拉伸塑性和高溫強度。
[0033]該合金中，單獨添加微量(小於等於0.5at%)的Hf，細化了層片間距，且通過固溶強化以及偏聚於層片界面的特點可提高材料的高溫強度和組織穩定性。當Hf含量超過本發明限定的上限(大於0.5at%)時，凝固過程中易形成初生β相，殘餘β相轉變得到的B2相不利於室溫拉伸塑性和高溫強度。
[0034]進一步的該合金中，添加微量(小於等於0.5at%)的C，通過在界面附近形成Ti3AlC或者Ti2AlC彌散強化相，可明顯改善合金的蠕變強度。添加量超過本專利的上限時，將導致合金的室溫拉伸塑性明顯降低。[0035]本發明實施例的微合金化方式得到的鈦鋁基合金，可採用真空自耗電弧爐或者水冷銅坩堝真空感應爐冶煉製得，由於高熔點合金元素Zr和/或Hf、以及C添加量均小於等於0.5at%，儘管合金室溫拉伸塑性略有降低，但仍然保持在2.0 %以上，而且明顯提高合金的高溫強度、蠕變強度和組織穩定性，從而改善了該合金的高溫服役性能。突破了鈦鋁基合金中高熔點合金元素添加量小於0.5at%時強化作用幾乎消失的合金化設計理念，首次採用低添加量高熔點合金元素和彌散強化相形成元素的合理組合，實現了在保持室溫拉伸塑性的前提下改善鑄造鈦鋁基合金高溫力學性能的效果。該合金適於製備在750~850°C長期使用的鈦鋁基合金薄壁鑄件，尤其是低壓渦輪葉片和增壓器渦輪這類承受沿葉片長度方向載荷作用的部件。具體可應用精密鑄造方法製備增壓器渦輪和低壓渦輪葉片等鑄件。
[0036]下面結合具體實施例對本發明的鈦鋁基合金作進一步說明。
[0037]本發明實施例的鈦鋁基合金均採用海綿鈦、純鋁、純鉻、純鋯、純鉿、高純石墨、A1V55合金作為原料，按照實施例1至實施例12的成分進行配料，採用水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉得到母合金，澆注試樣，並在1200~1300°C /120~180MPa/l.0~4.0h熱等靜壓處理和900~1000°C /12~24h/真空退火處理。實施例1至實施例12試驗結果見下表。
[0038]下表為本發明實施例合金與對比合金的室溫拉伸性能和850°C拉伸強度
[0039]
【權利要求】
1.一種鑄造用鈦鋁基合金，其特徵在於，該合金按原子百分比包括:
T1-(46.0 ~48.0)Α1-(1.5 ~3.5) V-(0.5 ~ 1.5)Cr-(0.1 ~0.5)Μ，其中，M 為 Zr 和Hf中的一種或兩種，其餘為雜質元素。
2.根據權利要求1所述的鑄造用鈦鋁基合金，其特徵在於，所述合金按原子百分比還包括:(0.1 ~0.5) C0
3.根據權利要求2所述的鑄造用鈦鋁基合金，其特徵在於，所述合金中C的原子百分比為 0.2 ~0.3。
4.根據權利要求2或3所述的鑄造用鈦鋁基合金，其特徵在於，所述合金中C的原子百分比為0.2。
5.根據權利要求1、2或3所述的鑄造用鈦鋁基合金，其特徵在於，所述合金中，M採用Zr和Hf，M的原子百分比為(0.2~0.5)。
6.根據權利要求1、2或3所述的鑄造用鈦鋁基合金，其特徵在於，所述合金中M採用Zr時，Zr的原子百分比為0.1~0.3 ; 所述合金中M採用Hf時，Hf的原子百分比為0.1~0.3。
7.根據權利要求6所述的鑄造用鈦鋁基合金，其特徵在於，所述合金中Zr的原子百分比為0.2 ;所述合金中Hf的原子百分比為0.2。
8.一種對權利要求1鑄造用鈦鋁基合金的製備方法，其特徵在於，包括: 以原子百分比為T1-(46.0~48.0) Al-(1.5~3.5) V-(0.5~1.5) Cr的合金為原料； 向所述原料中按原子百分比加入(0.1~0.5)Μ，其中，M為Zr和Hf中的一種或兩種，加入M後製成的合金即為鑄造用鈦鋁基合金。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，還包括: 向所述原料中按原子百分比加入(0.1~0.5)C。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，向所述原料中按原子百分比加入(0.2~0.3) Co
【文檔編號】C22C14/00GK103924121SQ201410178115
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】張熹雯, 駱晨, 朱春雷, 李勝, 李海昭, 王新英, 張繼 申請人:北京鋼研高納科技股份有限公司