专利名称：抗水蒸气高温腐蚀的钛铝基金属间化合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钛铝基金属间化合物，特别是涉及一种抗水蒸气高温腐蚀的钛铝(γ-TiAl)基金属间化合物。
背景技术：
钛铝基金属间化合物是近十年来发展起来的新型结构高温材料。它具有质量轻，抗高温蠕变的能力强，并具有较好的抗疲劳性能。因此，钛铝基金属间化合物是未来在军工，能源，及航空航天方面有着广泛应用前景的材料。然而，在应用于高温环境时，因其抗高温氧化的能力较低，这种材料在实际生产中的应用受到了较大限制。特别是当环境中存在水蒸气和氮气时，其抗高温腐蚀的能力会因此大大降低。我们最新的研究结果表明，在空气中存在水蒸气的情况下，一般成分的钛铝合金会形成“菜花状”氧化钛，从而大大加速腐蚀速度，并严重损坏其力学性能。
为解决钛铝基合金的抗高温腐蚀问题，国际相关领域正在进行大量的研究和开发。主要思路和取得的成果可归纳如下1、合金中加入Cr，一般原子百分含量大于12％。在此种情况下，氧化时会形成Al2O3膜，从而达到抗高温腐蚀的目的。但是，过多的Cr不但会因形成过多的Laves相而使钛铝的脆性大大地提高，而且会降低其高温蠕变抗力。因此成分中加入过多的Cr的方法会严重破坏其铸造后的加工性能，在实际生产中并不适用。
2、在合金中加入Nb，一般原子百分含量在15％左右。在此情况下，虽然可降低氧化速度，但并不会形成完整的Al2O3膜，因此，这种方法会大大提高生产成本，而抗高温腐蚀能力的提高却有限。
3、对钛铝合金工件进行表面改性或采用表面涂层。就目前的研究报道来看，此方面的结果均不成功。主要的原因在于进行表面改性或采用表面涂层的方法会使钛铝工件的加工过程进一步复杂化，并且会导致成本的提高。而且由于高温腐蚀是一个破坏过程，表面改性或表面涂层只有在达到可持续长时间的条件下才能应用。因此，钛铝的防护目前仍旧是世界性难题之一。
目前，国际上已开始尝试添加Ag等元素，并已取得了一定程度的成功。例如在Ti-48～50Al(at.％)中加入2～3at.％Ag，可以在一定程度上提高其抗氧化能力。但是其使用温度被限制在800℃以下。在800℃以上，银的存在反而会加快腐蚀速度。近来为克服这一缺陷，有研究者采用添加复合的Cr和Ag，但就已发表的研究结果而言，Cr只有在达到或超过7at.％时，才会有比较好的效果。然而，太多的Cr会导致在基体中形成过多的Laves相而使其力学性能下降。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述已知技术存在的缺陷，寻求一种新的成分添加于钛铝基体中，形成一种新的钛铝基金属间化合物，使其具有更强的抗高温腐蚀能力。
实现上述发明目的的技术方案是，以钛铝为基体，要点是复合添加金属Cr、Ag和非金属B元素后组成合金，其化合物原子百分含量是Al48％～52％，Cr3.5％～5％，Ag2～3％，B0.001～0.03％。
上述在钛铝基体中复合添加Cr、Ag和B，其中Ag元素具有拓宽γ相晶界的作用，从而起到促进铝原子沿晶界的扩散，这一作用必定会促进铝的选择性氧化；在钛铝中添加微量的硼，可以起到适当细化晶粒的作用。
本发明与已知技术比较其显著的效果是由于采用在钛铝基体中，复合添加Cr、Ag和B元素，体现了银在较高温度时可以拓宽钛铝基体的晶界宽度作用，又结合了硼元素可以起到细化晶粒的效果。钛铝的抗高温腐蚀的能力得到明显的加强。在高温腐蚀条件更加苛刻时(氧化中含有30.8vol.％水蒸气)，含有以上成分的合金较其它合金更具有良好的抗高温腐蚀的能力。如图1、图2中分别给出了含有不同成分的钛铝合金在空气和含有30.8vol.％水蒸气的空气中，在900℃时的氧化增重曲线。可以看出，Ti-48～52Al-5Cr-2～3Ag-0.001～0.03B，这种成分具有极好的抗高温腐蚀性能。值得指出的是，Ti-48Al-5Cr-3Ag-0.02B％这一成分，不仅具有极高的抗空气中氧化的能力，而且具有极好的抗水蒸气高温腐蚀的能力。
再如图3、图4、图5、图6中给出了对比试样经空气和含水蒸气的空气高温腐蚀后，横断面的金相检测照片。结果表明，与目前已知技术采用的成分相比，复合添加Cr、Ag和B的合金可以形成完整的Al2O3膜，达到抗高温腐蚀的目的。而未添加的合金则或者生成很厚的TiO2+Al2O3复合氧化物，或者因应力作用而使氧化膜完全脱落，从而完全失去保护性。
图1是在900℃时，本发明与已知技术合金成分为Ti-52Al-5Crat.％在空气中的氧化动力学曲线的对比图；图2是在900℃时，本发明与已知技术合金成分为Ti-52Al-5Crat.％，在含有30.8vol.％水蒸气的空气中的氧化动力学曲线的对比图；图3是对比样合金成分为Ti-52Al-5Crat.％在900℃，空气中经350小时氧化后试样横断面图；图4是本发明合金成分为Ti-48Al-5Cr-3Ag-0.02B％，在900℃，空气中经350小时氧化后试样横断面图；图5是对比样合金成分为Ti-52Al-5Crat.％，在900℃，空气+30.8vol％水蒸气中经350小时氧化后试样横断面图；
图6是本发明合金成分为Ti-48Al-5Cr-3Ag-0.02B％。在900℃，空气+30.8vol％水蒸气中经350小时氧化后试样横断面图。
具体实施例方式
本发明抗水蒸气高温腐蚀的钛铝(γ-TiAl)基金属间化合物是以Ti-Al为基体，复合添加金属Cr、Ag和非金属B元素，采用真空熔炼与铸造技术制备所需的试样。在铸造完成后，采用真空退火使合金的内部显微组织均匀化。本发明采用1100℃和120小时的退火工艺制度。然后从铸锭上切下直径约3毫米厚度约1毫米的园形试样。式样经研磨和抛光后，(其表面光洁度不低于6μm)进行金相组织检测。检测的条件是在900℃下，在空气或含有30.8vol％水蒸气的空气中进行高温腐蚀实验，实验持续350小时。
下面将本发明合金组成成分及抗高温腐蚀性能结果列于下表中钛铝基金属间化合物的成分(at％)及抗高温腐蚀性能的结果
权利要求
1.一种抗水蒸气高温腐蚀的钛铝基金属间化合物，是以钛铝为基体，其特征在于复合添加金属Cr、Ag和非金属B元素后而组成，其化合物原子百分含量为Al48～52％，Cr3.5～5％，Ag2～3％，B0.001～0.03％。
2.按照权利要求1所述的水蒸气高温腐蚀的钛铝基金属间化合物，其特征在于化合物原子百分含量优选Al48％，Cr5％，Ag3％，B0.001～0.03％。
3.按照权利要求1所述的水蒸气高温腐蚀的钛铝基金属间化合物，其特征在于合金应用时采用真空退火使合金的内部显微组织均匀化。
4.按照权利要求3所述的水蒸气高温腐蚀的钛铝基金属间化合物，其特征在于真空退火是在1100℃和120小时工艺制度下完成。
全文摘要
本发明涉及一种抗水蒸气高温腐蚀的钛铝(r－TiAl)基金属间化合物，是以钛铝为基体，复合添加金属Cr、Ag和非金属B元素后形成，其化合物原子百分含量为Al48～52％，Cr3.5～5％，Ag2～3％，B 0.001～0.03％。合金的制取是采用真空熔炼和铸造技术，其后在1100℃下对铸锭进行120小时的真空退火。工件应用时，其表面光洁度应不低于6μm，本发明试样在900℃，空气中或空气+水蒸气中，经过350小时氧化，检测合金可以形成完整的Al
文档编号C22C14/00GK1546704SQ20031011901
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月10日 优先权日2003年12月10日
发明者刘振宇, 王国栋 申请人:东北大学