一种Ti3Al金属间化合物高温结构材料的制作方法

文档序号:15457734发布日期:2018-09-15 01:37
本发明涉及一种Ti3Al金属间化合物高温结构材料,属于金属材料
技术领域

背景技术
:随着航空发动机性能不断提高,对高温材料的性能提出了更高的要求,即更高的强度、抗氧化性能及更小的密度等。TiAl系金属间化合物具有低密度、较高弹性模量以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力,在航空发动机材料领域具有很大的应用潜力,正在发展成为新一代航空发动机材料,可用于制造压气机、燃气涡轮机叶片、叶盘等各种高温结构件,部分替代镍基高温合金壳,可减重达30~50%。Ti3Al合金属于一种TiAl金属间化合物,其在γ-TiAl合金的基础上降低Al元素含量,同时提高Nb元素含量,从而提高了合金的塑性及加工性能,具有高比强度、低密度、高的热传导率、高的抗氧化能力及较好的抗蠕变性,使用温度可望达到650℃以上,用于航空、航天、汽车工业耐热构件、特别是形状复杂薄壁的构件的成形,可得到无余量或近无余量的精密复杂构件,大幅度减少金属损耗,提高材料的利用率,减少大量机加工,大幅度降低生产成本。Ti3Al合金熔模精密铸造成型技术可实现大型薄壁复杂构件一次性近净成型,具有构件稳定性好,尺寸精度高,工艺简单,成本低廉,适用于批量生产等特点。目前的Ti3Al合金如TD3(Ti-24Al-15Nb-1Mo)等,主要针对变形工艺,如锻造、挤压,由于合金凝固组织室温塑性低,且熔体流动性差,加工成形性能不好,采用熔模精密铸造成型等近净成型技术,容易出现铸件开裂等问题,不适用于铸造成型。技术实现要素:本发明正是针对上述现有技术中的不足而设计提供了提供一种Ti3Al金属间化合物高温结构材料,该高温结构材料的铸态组织室温塑性好,熔体流动性高,适用于铸造成型,具有较高的实际应用价值。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:该种Ti3Al金属间化合物高温结构材料,其特征在于:该高温结构材料的化学成分用Ti-Al-Nb-X1-X2表示,X1是固溶微量合金元素,X2是析出相微量合金元素,该高温结构材料的化学成分的原子百分比为:Al:18.0~20.0%,Nb:20.0~25.0%,X1:0~3.5%,X2:0~1.0%,余量为Ti。所述固溶微量合金元素为Mo、V、W、Ta、Zr中的一个或几个的组合。析出相微量合金元素为Si、C中的一种或两个的组合。该高温结构材料的化学成分的原子百分比为:Al:18.0~20.0%,Nb:20.0~25.0%,X1:0.1~3.5%,X2:0.1~1.0%,余量为Ti。该高温结构材料的化学成分的原子百分比为:Al:18.0~20.0%,Nb:20.0~25.0%,X1:0.1~3.5%,余量为Ti。该高温结构材料的化学成分的原子百分比为:Al:18.0~20.0%,Nb:20.0~25.0%,X2:0.1~1.0%,余量为Ti。该高温结构材料的化学成分的原子百分比为:Al:19.0%,Nb:20.0~25.0%,余量为Ti。该高温结构材料的化学成分的原子百分比为:Al:18.0~20.0%,Nb:22.0%,余量为Ti。该高温结构材料的化学成分的原子百分比为:Al:18.0~20.0%,Nb:20.0~25.0%,Mo:1.0%,余量为Ti。本发明技术方案提出的一种Ti3Al金属间化合物高温结构材料成分,在现已开发出的Ti3Al金属间化合物成分的基础上,通过增加合金中的Nb等主要合金元素含量,同时适当降低合金中的Al元素含量,从而增加凝固在组织中O相的含量,铸造组织由原来的α+β两相组织改变为α+β+O三相组织,通过引入具有更高塑性的O相,从而同时改善合金的塑性和强度。另外,本发明通过在合金中添加一定含量的Mo、V、W、Ta、Zr等微量固溶合金元素,通过固溶强化,提高合金强度及高温抗蠕变性,特别是Mo元素的添加,对合金高温抗蠕变性起到显著提高作用;在合金中添加Si、C等微量合金元素,在合金中引入TiSi及TiC等析出强化相,进一步提高合金的强度及高温抗蠕变性。具体实施方式以下将结合实施例对本发明作进一步地说明。本发明所述的高温结构材料的化学成分及其原子百分比如表1所示。表1本发明所述的高温结构材料的化学成分及其原子百分比编号TiAlNbX1X21余量18.0~20.0%20.0~25.0%0.1~3.5%0.1~1.0%2余量18.0~20.0%20.0~25.0%0.1~3.5%03余量18.0~20.0%20.0~25.0%00.1~1.0%4余量19.0%20.0~25.0%005余量18.0~20.0%22.0%006余量18.0~20.0%20.0~25.0%1.0%Mo07余量18.0~20.0%20.0~25.0%00.1%B8余量18%22%1.0%Mo09余量19%22%0010余量20%22%2.5%V-1%Ta1%Si实施例1以表中第8项的化学成分及其配比(Al8.94%,Nb37.63%,Mo1.76%,其量为Ti和不可避免的杂质)为例,该种高温结构材料的制备工艺如下:将海绵钛(颗粒状,0A级)、高纯铝豆(颗粒状,纯度99.99%)两种金属,以及Al-75Nb、TiNb50、Al-50Mo四种单质及中间合金,按照重量百分数Al:9.94%,Nb:37.63%,Mo:1.76%,其余为Ti进行配制,在油压机上压制成块状电极,然后在真空自耗电弧炉中进行熔炼,将熔炼好的铸锭在真空感应铸造炉中进行二次熔炼,并浇注进入陶瓷模中,炉内冷却至室温,制备得到直径15mm的合金铸棒。本实施例所制备的合金铸棒具有良好的综合性能,尤其是抗蠕变性能和高温抗拉强度优异。室温拉伸性能σb≥997MPa,σp0.2≥854MPa,δ5≥3.2%,Ψ≥6%;650℃拉伸性能σb≥683MPa,σp0.2≥579MPa,δ5≥5.5%,Ψ≥8%。实施例2以表中第9项的化学成分及其配比(Al9.53%,Nb38.0%,其量为Ti和不可避免的杂质)为例,该种高温结构材料的制备工艺如下:将海绵钛(颗粒状,0A级)、高纯铝豆(颗粒状,纯度99.99%)两种金属,以及Al-75Nb、TiNb50、Al-50Mo、Al-12Si四种中间合金按照重量百分数Al:9.53%,Nb:38.0%,其余为Ti进行配制,在油压机上压制成块状电极,然后在真空自耗电弧炉中进行熔炼,将熔炼好的铸锭在真空感应铸造炉中进行二次熔炼,并浇注进入陶瓷模中,炉内冷却至室温,制备得到直径15mm的合金铸棒。本实施例所制备的合金铸棒具有良好的综合性能,尤其是抗蠕变性能和高温抗拉强度优异。室温拉伸性能σb≥850MPa,σp0.2≥700MPa,δ5≥9.5%,Ψ≥13%;650℃拉伸性能σb≥610MPa,σp0.2≥460MPa,δ5≥14.2%,Ψ≥25%。实施例3该合金的原料组成及重量百分比为:以表中第9项的化学成分及其配比(Al9.84%,Nb37.28%,V:2.32%,Ta3.3%,Si0.53%,其量为Ti和不可避免的杂质)为例,该种高温结构材料的制备工艺如下:将海绵钛(颗粒状,0A级)、高纯铝豆(颗粒状,纯度99.99%)两种金属,以及Al-75Nb、TiNb50、Al-50Mo、Al-12Si四种中间合金按照重量百分数Al:9.84%,Nb:37.28%,V:2.32%,Ta:3.3%,Si:0.53%,其余为Ti进行配制,在油压机上压制成块状电极,然后在真空自耗电弧炉中进行熔炼,将熔炼好的铸锭在真空感应铸造炉中进行二次熔炼,并浇注进入陶瓷模中,炉内冷却至室温,制备得到直径15mm的合金铸棒。本实施例所制备的合金铸棒具有良好的综合性能,尤其是抗蠕变性能和高温抗拉强度优异。室温拉伸性能σb≥950MPa,σp0.2≥850MPa,δ5≥5%,Ψ≥7%;650℃拉伸性能σb≥787MPa,σp0.2≥693MPa,δ5≥7.8%,Ψ≥11%。当前第1页1 2 3 
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