一种适用于800℃的铸造γ‑TiAl合金的制作方法

本发明涉及轻质高温结构材料领域，是一种含0.5-2.0at.％ta并用于800℃的具有过包晶凝固的高al中nb铸造γ-tial合金。

背景技术：

tial合金具有轻质，优良的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，较好的疲劳性能、断裂韧性和塑性等综合性能，与传统的ni基和co基高温合金相比，铸造γ-tial合金具有轻质的特点，对于飞机发动机减重，提高发动机的体重比具有重要意义。随着美国ge公司将ti-48al-2cr-2nb合金应用于ge-nx90飞机发动机700℃用低压涡轮叶片，欧洲的r&r公司在trent发动机上、safran公司在cfm-leap发动机上也将ti-48al-2cr-2nb合金应用于700℃用低压涡轮叶片。铸造γ-tial基合金的应用逐渐扩大。对于铸造γ-tial合金的研发，国内仅有钢铁研究总院所开发的含钒适用于700℃的ti-48al-2.5v-1cr合金，该合金在坦克车辆的增压涡轮上取得了一定应用。

随着航天航空发动机和车辆用发动机热端部件服役温度的进一步提高，开发可用于800℃的具有良好抗氧化性能和铸造性能的γ-tial基合金成为今后该领域研究的热点。人们通过添加更高含量va族元素(主要有v、nb、ta元素，特别是具有良好抗氧化特性的nb元素)，开发了高nb含量的铸造γ-tial合金，如：钢铁研究总院在ti-48al-2.5v-1cr合金基础上开发了ti-48al-7nb-2.5v-1cr，高温强度以及抗氧化性能有一定提高。英国伯明翰大学重点研究了不含nb的高ta含量(6-8at.％)的γ-tial合金，发现高ta-tial合金具有更好的室温韧性和高温蠕变性能(y.guo,r.liu,h.jin,etal.deformationofpstcrystalsofti46a18nbandti46a18ta.tmsanuualmeeting,2014,pages135-142.)。同时有研究发现含ta的tial合金具有良好的抗氧化性能，如takeshiizumi发现在tial合金中直接添加2at.％ta可提高其抗氧化能力(takeshiizumietal.oxidationbehaviorofsulfidationprocessedtial–2at.％x(x＝si,mn,ni,ge,y,zr,la,andta)alloysat1173kinair.intermetallics,2005,13(7):694–703)。国内西北有色金属研究院研究人员发现，加入3at.％ta元素可使锻造类ti-46.5al-3ta-2cr-0.2w合金强度明显提高(yuanyuanluo,weidongzeng,zhengpingxi,etal.microstructure,mechanicalpropertiesandoxidationbehaviorofahot-extrudedtialcontainingta.raremetalmateng[j],2015,44(2):282-287.)。但是，高含量的va族元素，易造成合金在铸造过程中凝固偏析严重，热裂趋向明显，铸造性能差，而且高ta含量的γ-tial密度较高、成本高。随着mtu公司将ti-43.5al-4nb-1mo-0.1b(tnm)这类中等nb含量锻造类γ-tial合金应用于涡扇发动机压气机叶片，降低ta、nb含量成为未来γ-tial合金的研发趋势。

西北工业大学在zl201410598345.1的专利中提出了一种具有过包晶凝固特征的抗热裂型中铌铸造tial合金,该合金为中等nb含量的过包晶凝固型抗热裂铸造γ-tial合金,合金成分为：al：48.29～48.4％，nb：3～5％；cr：1.9～2％；n：0.6～0.8％；b：0.1～0.3％；余量为ti。所述百分比均为原子百分比。该合金组织致密、偏析少，热裂倾向小，但是该合金使用温度未达到800℃。

为了进一步提高铸造tial合金使用温度，申请人拟在具有过包晶凝固的高al中nb铸造γ-tial合金中添加微量(0.5-2.0at.％)ta元素。到目前为止，通过检索国内外的专利、学术论文和学位论文等，尚未见到在具有过包晶凝固特征的高al中nb铸造γ-tial合金中添加微量(0.5-2.0at.％)ta元素，来提高铸造tial合金使用性能的研究工作报道。

技术实现要素：

为满足铸造γ-tial合金在800℃下使用的要求，并且克服现有技术中存在的γ-tial合金铸造性能差的不足，本发明提出了一种适用于800℃的铸造γ-tial合金。

本发明由al、nb、ta、b和ti组成，其中al为48.5～49.9％，nb为3.2～4.0％,ta为0.5-2.0％,b为0.1～0.2％，余量为ti；所述的百分比为原子百分比。通过铸锭冶炼方式得到铸造γ-tial合金。

所述铸锭冶炼过程中引入o杂质和fe杂质，其中：o≤0.05％，fe≤0.05％；所述百分比为原子百分比,并且o百分含量与fe百分含量均为体系的百分含量。

本发明在zl201410598345.1专利的基础上，提出了一种含0.5-2.0at.％ta并用于800℃的具有过包晶凝固的高al中nb铸造γ-tial合金，以在保证合金具有良好的抗氧化性能和铸造性能的同时，提高合金的强度。

本发明添加3.2～4.0at.％的nb元素，来提高合金强度。而添加过多的nb会使合金凝固方式从过包晶凝固转变为亚包晶凝固，并且增加合金开裂倾向，而nb含量过少不足以提高合金的性能。

在此基础上添加0.5-2.0at.％ta元素，进一步细化tial合金的枝晶和片层，提高塑性、高温强度和抗氧化性能。研究表明，在空冷条件下，随着ta含量的增加，枝晶二次臂间距逐渐减小，如附图1所示。当ta含量到达2.0at.％时，枝晶二次臂间距减小程度减弱。除此之外，ta的添加能细化片层团，减少凝固过程中产生的织构，如附图2和附图3所示，随着ta的加入，晶粒的取向增多，各相异性程度增加，如附图2b～2f、附图3b～3f所示。ta还能细化tial合金片层，如附图4所示。但是ta含量过高，组织细化程度不明显之外，增大合金密度，增加合金成本的同时增加合金的偏析，因此ta元素含量应控制在2.0at.％以内。

同时，由于加入了β稳定化元素nb和ta，为了保证合金凝固路径仍为过包晶凝固，需要严格控制al含量，防止al含量过多或过少而改变合金凝固路径。因此需要调整al含量与nb、ta的比例。文献(davidr.johnson,haruyukiinui,shinjimutoetal.microstructuraldevelopmentduringdirectionalsolidificationofαseededtialalloys.actamaterialia54(2006).p1084)中关于ta的al当量系数为0.3，nb的al当量系数为0.3(nb含量大于3.0at.％时成立)，如当ta含量到达2at.％时，nb含量为3.2at.％，此时需要增加al含量至49.9％at.％，使得合金仍以过包晶方式凝固(过包晶开始转变点处al含量为47.3％)。

适当加入b作为细化剂生成各种硼化物强化晶界以提高合金的强度和拉伸性能。同时，严格控制各种合金元素成分范围使合金以过包晶方式凝固，并且避免了出现b2相，从而降低合金热裂趋向。

本发明在所述具有过包晶凝固特征的高al中nb铸造tial合金中添加0.5～2.0at.％的ta元素,并采用var真空自耗电弧熔炼+冷坩埚真空感应熔炼工艺获得合金锭，所述var真空自耗电弧熔炼重复三次。合金随后在1400℃进行均匀化处理，保温2小时，空冷。热等静压温度为1260℃，压力为200mpa，保温3小时。

通过采取上述措施，本发明的铸造γ-tial合金在800℃下具有优异的力学性能，其抗拉强度σb≥420mpa，合金的熔点1500～1540℃，密度为4.0g/cm³，无磁性。该合金铸锭经精密铸造成型技术，可应用于制造航空航天飞行器低压涡轮叶片、高超声速飞行器进气道壁板、坦克和汽车增压器涡轮等热端部件。本发明所述合金与铸造ti-48al-2nb-2cr合金相比较，使用温度从700℃提高到800℃。本发明所述合金与中等nb含量的tial合金相比，力学性能也有显著提高，800℃拉伸性能提高100％以上，如表1所示。

附图说明

图1是ti-48.5al-3nb-xta合金二次枝晶间距随着ta含量的变化趋势。

图2是ti-48.5al-3nb合金ebsd取向分布及其极图；其中，2a是ti-48.5al-3nb合金sem组织，2b是ti-48.5al-3nb合金白色方框内ebsd取向分布，2c是ipf取向分布，d是ti-48.5al-3nb合金γ相{001}晶面取向分布，2e是ti-48.5al-3nb合金γ相{110}晶面取向分布，2f是ti-48.5al-3nb合金γ相{111}晶面取向分布。

图3是ti-48.5al-3nb-1ta合金ebsd取向分布及其极图；其中，3a是ti-48.5al-3nb-1ta合金sem组织，3b是ti-48.5al-3nb-1ta合金白色方框内ebsd取向分布，3c是ipf取向分布，3d是ti-48.5al-3nb-1ta合金γ相{001}晶面取向分布，3e是ti-48.5al-3nb-1ta合金γ相{110}晶面取向分布，3f是ti-48.5al-3nb-1ta合金γ相{111}晶面取向分布。

图4是ti-48.5al-3nb-xta合金tem形貌；其中，4a是ti-48.5al-3nb合金tem片层形貌，4b是ti-48.5al-3nb-2ta合金tem片层形貌。

具体实施方式

实施例1：

本实施例是一种含0.5～2.0at.％ta并用于800℃的具有过包晶凝固特征的中nb铸造γ-tial合金，由al、nb、ta、b和ti组成,其中al为49.9％,nb为3.2％,ta为2.0％,b为0.2％，余量为ti；所述的百分比为原子百分比，该合金以过包晶方式凝固。铸锭冶炼过程中会引入o和fe杂质，为了不影响合金性能，需要控制杂质含量，其中：o≤0.05％，fe≤0.05％；所述百分比为原子百分比,并且o百分含量与fe百分含量均为体系的百分含量。

本实施例适于制造航空航天飞行器低压涡轮叶片、高超声速飞行器进气道壁板等热端部件。

实施例二：

本实施例是一种含0.5～2.0at.％ta并用于800℃的具有过包晶凝固特征的中nb铸造γ-tial合金，由al、nb、ta、b和ti组成,其中al为48.8％,nb为3.5％,ta为1.2％,b为0.15％，余量为ti；所述的百分比为原子百分比，该合金以过包晶方式凝固。铸锭冶炼过程中会引入o和fe杂质，为了不影响合金性能，需要控制杂质含量，其中：o≤0.05％，fe≤0.05％；所述百分比为原子百分比,并且o百分含量与fe百分含量均为体系的百分含量。

本实施例适于制造航空航天飞行器低压涡轮叶片、坦克和汽车增压器涡轮等热端部件。

实施例三：

本实施例是一种含0.5～2.0at.％ta并用于800℃的具有过包晶凝固特征的中nb铸造γ-tial合金，由al、nb、ta、b和ti组成,其中al为48.6％,nb为4.0％,ta为0.5％,b为0.1％，余量为ti；所述的百分比为原子百分比，该合金以过包晶方式凝固。铸锭冶炼过程中会引入o和fe杂质，为了不影响合金性能，需要控制杂质含量，其中：o≤0.05％，fe≤0.05％；所述百分比为原子百分比,并且o百分含量与fe百分含量均为体系的百分含量。

本实施例适于制造汽车增压器涡轮等热端部件。

本发明中，通过合金各种元素的搭配及其比例的优化，使合金具有如下的主要性能：

1、合金的最高使用温度为800℃。

2、具有良好的力学性能，见表格1。

3、具有良好的抗氧化性能，见表格2

表1合金力学性能

表2合金力抗氧化性能