专利名称：一种钛镍铝高温合金材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钛镍铝高温合金材料，通过在钛镍合金基体中添加铝元素来提高钛镍合金的室温和高温力学性能的一种新型高温合金材料。
背景技术：
目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，应用在600℃以上的金属结构材料通常为镍基、铁基和钴基高温合金。这些材料具有较高的密度(一般在8.0g/cm3以上)，所制成的构件和设备重量大，为了减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，必须开发低密度、高比强的新型高温合金以适应相关工业领域未来发展的需要。
二元TiNi合金是一种具有优良力学性能、良好的耐蚀性和生物相容性的金属间化合物，作为形状记忆合金功能材料已经在医学、工业和生活等领域得到广泛的应用。这种合金的密度为6.3g/cm3，比镍基、铁基和钴基高温合金低20％左右。
在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al元素来提高合金的室温屈服强度和高温力学性能，开发出新型的低密度、高比强度高温合金替代传统高温合金，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。
发明内容
本发明的目的是提出一种低密度、高比强度TiNiAl高温合金材料，该TiNiAl高温合金作为结构材料在高温使用，可以替代传统的高密度镍基、铁基和钴基高温合金材料，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。
本发明的一种钛镍铝高温合金材料，由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)和1at％～15at％的铝(Al)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
所述的钛镍铝高温合金材料，也可以由50at％～55at％的钛(Ti)、40at％～50at％的镍(Ni)和4at％～10at％的铝(Al)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
所述的钛镍铝高温合金材料，其组份为Ti50Ni41Al9或者Ti52Ni42Al6。
所述的钛镍铝高温合金材料，在温度18℃屈服强度为1100MPa～1500MPa，变形率大于9％；在高温600℃～800℃屈服强度为1200MPa～200MPa，变形率大于25％；抗高温氧化性能在600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.01mg/cm2～8.00mg/cm2；该钛镍铝高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm3。
本发明的一种钛镍铝高温合金材料的制备方法，包括下列步骤(1)按配比称取纯度为99.9％的钛(Ti)、纯度为99.9％的镍(Ni)和纯度为99.9％的铝(Al)；(2)将上述称取的钛、镍、铝原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在1700℃～2000℃熔炼成TiNiAl高温合金锭材；(3)将上述制得的TiNiAl高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度850℃～900℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15高温合金材料。
本发明TiNiAl高温合金材料的优点在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al元素来提高合金的室温屈服强度和高温力学性能，这类合金密度为5.20～6.30g/cm3，室温屈服强度为1100MPa～1500MPa，变形率大于9％，在600℃～800℃之间具有良好的力学性能和抗高温氧化性能，具有低密度、高强度的优点。
图1是Ti50Ni41Al9圆柱试样在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃温度下压缩试验结果曲线图。
具体实施例方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种钛镍铝高温合金材料，由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)和1at％～15at％的铝(Al)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明的钛镍铝高温合金材料，也可以由50at％～55at％的钛(Ti)、40at％～50at％的镍(Ni)和4at％～10at％的铝(Al)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明钛镍铝高温合金材料的制备方法和步骤如下(1)按配比称取纯度为99.9％的钛、纯度为99.9％的镍和纯度为99.9％的铝；(2)将上述钛、镍和铝原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在1700℃～2000℃熔炼成TiNiAl高温合金锭材；
(3)将上述制得的TiNiAl高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度850℃～900℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的钛镍铝高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的钛镍铝高温合金材料中切取直径d＝6mm，高度h＝9mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用MTS-880型万能材料实验机进行压缩压力-应变测试，压缩应变速率为0.02mm/min，温度范围为室温(18℃)～800℃之间选定的温度点。采用线切割方法切取长L＝10mm，宽W＝5mm，高H＝5mm的长方体样品作为密度和抗高温氧化性能测试样品，测量样品的质量M1，运用公式ρ＝M1÷(L×W×H)计算合金密度ρ；在600℃～800℃之间选定温度点，将样品置于该温度的静态空气中保持100小时后，测量样品的质量M2，运用公式X＝(M2-M1)÷2(L×W+H×L+W×H)计算合金的单位表面积氧化增重X，采用精确度为10-4g的电子天平测量样品的质量，使用精确度为10-2mm的游标卡尺测量样品的尺寸。钛镍铝高温合金材料的性能参数如下表所示
本发明的Ti50～60Ni35～50Al1～15高温合金材料比二元TiNi合金材料的密度小，其屈服强度、变形率、抗高温氧化能力强，有效地减轻了结构重量，提高了效率，降低了能源消耗，扩展了TiNi基合金材料的使用范围。
实施例1制Ti50Ni41Al9合金材料(1)称取50at％纯度为99.9％的钛、41at％纯度为99.9％的镍和9at％纯度为99.9％的铝；(2)将上述钛、镍和铝块状原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在1800℃以上熔炼成TiNiAl高温合金锭材；(3)将上述制得的TiNiAl高温合金锭材放入的真空热处理炉内进行热处理，在真空度5×10-3Pa，热处理温度900℃下保温12小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti50Ni41Al9高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的Ti50Ni41Al9合金材料中切取直径d＝6mm，高度h＝9mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用MTS-880型万能材料实验机进行压缩压力-应变测试，压缩应变速率为0.02mm/min，在600℃下测得屈服强度和变形率分别为1150MPa和37％，在650℃下测得屈服强度和变形率分别为1050MPa和31％。采用线切割方法切取长L＝10mm，宽W＝5mm，高H＝5mm的长方体样品作为密度和抗高温氧化性能测试样品，测量样品的质量M1＝1.4152g，计算合金密度ρ＝5.66g/cm3；将样品置于600℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.01mg/cm2；将样品置于650℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.01mg/cm2。其它不同温度条件下的状况请参见图1所示。图中示出Ti50Ni41Al9高温合金材料在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃温度下的压缩试验结果。本发明的Ti50Ni41Al9高温合金材料在800℃时的屈服强度最低，而在600℃～800℃之间屈服强度为较佳状态。
实施例2制Ti52Ni42Al6合金材料(1)称取52at％纯度为99.9％的钛、42at％纯度为99.9％的镍和6at％纯度为99.9％的铝；(2)将上述钛、镍和铝块状原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2000℃熔炼成TiNiAl高温合金锭材；(3)将上述制得的TiNiAl高温合金锭材放入的真空热处理炉内进行热处理，在真空度5×10-3Pa，热处理温度900℃下保温18小时后，随炉冷却，即得到本发明要求的Ti52Ni42Al6高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的Ti52Ni42Al6高温合金材料中切取直径d＝6mm，高度h＝9mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用MTS-880型万能材料实验机进行压缩压力-应变测试，压缩应变速率为0.02mm/min，在650℃下测得屈服强度和变形率分别为800MPa和34％，在700℃下测得屈服强度和变形率分别为430MPa和32％。采用线切割方法切取长L＝10mm，宽W＝5mm，高H＝5mm的长方体样品作为密度和抗高温氧化性能测试样品，测量样品的质量M1＝1.5260g，计算合金密度ρ＝6.10g/cm3；将样品置于650℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.01mg/cm2；将样品置于700℃的静态空气中保持100小时后，测量样品的氧化增重为0.92mg/cm2。
权利要求
1.一种钛镍铝高温合金材料，其特征在于由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)和1at％～15at％的铝(Al)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
2.根据权利要求1所述的钛镍铝高温合金材料，其特征在于由50at％～55at％的钛(Ti)、40at％～50at％的镍(Ni)和4at％～10at％的铝(Al)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
3.根据权利要求1或2所述的钛镍铝高温合金材料，其特征在于该钛镍铝高温合金材料为Ti50Ni41Al9。
4.根据权利要求1或2所述的钛镍铝高温合金材料，其特征在于该钛镍铝高温合金材料为Ti52Ni42Al6。
5.根据权利要求1或2所述的钛镍铝高温合金材料，其特征在于该钛镍铝高温合金材料在18℃屈服强度为1100MPa～1500MPa，变形率大于9％；在高温600℃～800℃屈服强度为1200MPa～200MPa，变形率大于25％；抗高温氧化性能在600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.01mg/cm2～8.00mg/cm2；该钛镍铝高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm3。
6.一种钛镍铝高温合金材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤(1)按配比称取纯度为99.9％的钛(Ti)、纯度为99.9％的镍(Ni)和纯度为99.9％的铝(Al)；(2)将上述称取的钛、镍、铝原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在1700℃～2000℃熔炼成TiNiAl高温合金锭材；(3)将上述制得的TiNiAl高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度850℃～900℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15高温合金材料。
全文摘要
本发明公开了一种钛镍铝高温合金材料，该合金材料由50at％～60at％的钛(Ti)、35at％～50at％的镍(Ni)和1at％～15at％的铝(Al)组成。该合金材料在18℃屈服强度为1100MPa～1500MPa，变形率大于9％；在高温600℃～800℃屈服强度为1200MPa～200MPa，变形率大于25％；抗高温氧化性能在600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.01mg/cm
文档编号C22C1/02GK1644733SQ20051005391
公开日2005年7月27日 申请日期2005年3月14日 优先权日2005年3月14日
发明者徐惠彬, 孟令杰, 李岩, 赵新青, 宫声凯 申请人:北京航空航天大学