专利名称：一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法
技术领域：
本发明属于钛铝合金技术领域，尤其是一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法。
背景技术：
有关用于涡轮叶片的钛铝Ti Al合金已研究较多，比如专利号为CN101056998A公开了一种T1-45Al-5 Nb- 2Mo的高铌Nb钛铝合金，该合金在P相内部析出Y相，以至于^颗粒分布非常精细，但该合金中各元素间相互强化效果不明显，由于未添加硅Si或碳C等高温蠕变强化元素，导致该合金的铸造件使用温度较低，不能满足发动机涡轮叶片在100(ril00°C时的抗拉强度要求，同时由于涡轮叶片的壁厚要求控制在0. 6^1. Omm之间，而Mo元素的存在会降低该合金在铸造时的流动性能，铸造流动性能较差的钛铝合金是不能用来铸造薄壁件的。MITSUBISHI HEAVY IND LTD公司JP5320791专利公开的一种钛铝合金是34 52Ti>40^46 Al,3^8 Cr, 5^12 Nb，该钛铝合金由于添加了高含量的铬Cr而显著降低了铸造流动性能。虽然该钛铝合金具有较高的高温强度和高温抗氧化性能，但不能用来铸造薄壁件。JP2000199025专利公开的另一种钛铝合金是44. 5 48. 5 Al、5 9. 5 Nb、0. 5 2Cr、0. ro. 4S1、0. ro. 4N1、其余为Ti，该钛铝合金中虽然Cr的含量对铸造流动性能影响不明显，但其中的Si和镍Ni则降低了铸造流动性能。虽然该钛铝合金也具有较高的高温强度和高温抗氧化性能，但也不能用来铸造薄壁件。
众所周知，钛铝合金具有较差的铸造流动性能，而薄壁涡轮叶片的最小壁厚通常控制在0. 6^1. Omm,如果增加壁厚会大幅降低涡轮增压器的工作效率，随着航空、航天、汽车、舰船等发动机性能的不断提高，对钛铝合金的性能提出了更高的要求，即由钛铝合金铸造出的薄壁件应需具有更高的强度、抗氧化性能和更轻的密度等。强度通常通过抗拉强度来体现，即抗拉强度不能< 200MPa，抗拉强度越高其薄壁件的使用寿命越长；抗氧化性能通常通过使用温度来体现，使用温度一般控制在100(Tll0(rC之间。换句话说在100(Tll0(rC之间且具有抗拉强度> 200MPa并具有良好铸造流动性能的钛铝合金才能用来铸造发动机的薄壁涡轮叶片，但是含有铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法还未见到相关报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法，该含有铬碳的钛铝合金非常适合铸造发动机的薄壁涡轮叶片，这是因为该钛铝合金具有较好的铸造流动性能，经过熔炼所铸造出的薄壁涡轮叶片能在100(Tll0(TC之间长期使用且抗拉强度> 230MPa，薄壁涡轮叶片的壁厚能控制在0. 6^1. Omm之间。为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案
一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法，所述钛铝合金中按重量百分比含有44. (T48. O的铝、5. (T9. O的铌、余量钛和不可避免的微量杂质，本发明的特征是所述钛铝合金中按重量百分比还含有0. 2^1. 2的铬和0. ro. 5的碳，所述钛铝合金按重量百分比的总配比构成如下
铝44. (T48. O、铌5. (T9. O、铬0. 2^1. 2、碳0. f 0. 5以及余量钛和不可避免的微量杂
质；
上述所述铝以纯铝的方式加入配比中；
上述所述铌以铌化铝的方式加入配比中，但其中铌化铝中的铝含量包含在所述铝之
中；
上述所述铬以铬化铝的方式加入配比中，但其中铬化铝中的铝含量包含在所述铝之
中；
上述所述碳以纯碳的方式加入配比中；
上述所述钛以海绵钛的方式加入配比中；
按上述各配比并一同放进真空感应炉中进行充氩熔炼，氩气的压力控制在60000 Pa，待熔化后作出炉前各含量测定，各含量测定满足所述总配比构成后再搅拌2分钟出炉冷却得到初炼钛铝合金铸锭，再将所述初炼钛铝合金铸锭重新放在真空感应炉中进行充氩熔炼，此时氩气的压力依然控制在60000 Pa，炉前重新测定其各含量是否满足所述总配比构成后再搅拌2分钟出炉冷却得到钛铝合金铸锭；将所述钛铝合金铸锭放进熔化炉中进行熔化，熔化炉的抽真空度控制在3. 5Pa,待所述钛铝合金铸锭全部熔化并连续搅拌2分钟后用来浇铸壁厚在0. 6^1. Omm之间的薄壁涡轮叶片以及附铸试棒，由于薄壁涡轮叶片呈曲面状且难以对其进行力学性能测试，按等同测试方法可以对同炉次的所述附铸试` 棒进行力学性能测试，经测试所述附铸试棒在ioo(nioo°c之间的抗拉强度彡230MPa、延伸率彡18 %，薄壁涡轮叶片的铸造成品率彡95 %。所述钛铝合金的优选重量百分配比构成如下
铝45. 0 47. O、铌6. 0 8. O、铬0. 4 0. 8、碳0. 2 0. 4以及余量钛和不可避免的微量杂质。所述钛铝合金的优选重量百分配比构成如下
铝46. O、铌7. O、铬0. 6、碳0. 3以及余量钛和不可避免的微量杂质。通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果1、本发明含有微量铬碳的钛铝合金，非常适合用来铸造发动机的0. 6^1. Omm之间壁厚的涡轮叶片，因为微量铬碳的钛铝合金具有较好的高温蠕变性能以及铸造流动性能，使得薄壁涡轮叶片的铸造成品率> 95 %，降低了铸造成本，增加了使用寿命。2、由于薄壁涡轮叶片能在ioo(Tiio(rc之间得到长期使用并且抗拉强度^ 230MPa，因此对提高航空、航天、汽车、舰船等发动机的性能具有重要意义，市场前景非常看好。
具体实施例方式本发明是一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法，含有微量铬碳的钛铝合金非常适合用来铸造发动机的0. 6^1. Omm之间壁厚的涡轮叶片，因为微量铬碳的钛铝合金具有较好的高温蠕变性能以及铸造流动性能，使得薄壁涡轮叶片的铸造成品率> 95%，降低了铸造成本，增加了使用寿命。
按重量百分比的所述钛铝合金中含有44. (T48. 0的铝、5. (T9. 0的铌、余量钛和不可避免的微量杂质，钛铝以及铌的含量均是本领域的常规配方。但本发明的不同之处是在上述钛铝合金中按重量百分比还含有0. 2^1. 2的铬和0.广0. 5的碳，不同含量的Cr会对钛铝合金的铸造流动性能产生影响，不同含量的C也会对钛铝合金的铸造流动性能产生影响，研究Cr和C的含量是本发明的首要问题，因此含有微量铬碳的钛铝合金按重量百分比的总配比构成如下
铝44. (T48. O、铌5. (T9. O、铬0. 2^1. 2、碳0.广0. 5以及余量钛和不可避免的微量杂质，其中所述铝以纯铝的方式加入配比中，其中所述铌以铌化铝的方式加入配比中但铌化铝中的铝含量包含在所述铝之中，其中所述铬以铬化铝的方式加入配比中但铬化铝中的铝含量包含在所述铝之中，其中所述碳以纯碳的方式加入配比中，其中所述钛以海绵钛的方式加入配比中。本发明含有微量铬碳的钛铝合金与MITSUBISHI HEAVY IND LTD公司专利相比，去掉了 N1、Si元素，添加了 0. ro. 5重量份的C以及将铬控制在0. 2^1. 2范围内，不但没有影响本发明的铸造流动性能，同时又显著提高了本发明的高温强度和高温蠕变性能，因为将C含量控制在0. ro. 5时能在钛铝合金中形成Ti2AlC化合物，该Ti2AlC化合物能起到固溶强化的作用，高温强度和蠕变强化效果明显好于Si元素，这为铸造壁厚0. 6^1. Omm的薄壁涡轮叶片以及满足在ioo(nioo°c高温环境下的长期使用提供了可能。当C含量低于0.1时，显微结构中的层片细化作用不明显，起不到提高高温蠕变性能和提高高温强度的作用；当C含量高于0. 5时，会明显降低本发明的铸造性能。当Cr含量低于0. 2时，对提高本发明的室温塑性效果不明显；当Cr含量高于1. 2时，降低了本发明的铸造流动性能，同时高温时的抗氧化性能明显降低。当Nb含量控制在6. 0-8. 0时可以避免或很少出现a-偏析、^ -偏析以及S偏析，从而提高本发明的均匀性和可靠性，提高铸件的安全系数。处于片层团内的P相形成的偏析称为a-偏析，处于片层团 晶界处的P相形成的偏析称为￠-偏析，S偏析为富Al、低Nb。本发明的熔铸方法必须结合上述总配比构成，按上述各配比并一同放进真空感应炉中进行充氩熔炼，氩气的压力控制在60000 Pa，待熔化后作出炉前各含量测定，各含量测定满足所述总配比构成后再搅拌2分钟出炉冷却得到初炼钛铝合金铸锭，再将所述初炼钛铝合金铸锭重新放在真空感应炉中进行充氩熔炼，此时氩气的压力依然控制在60000 Pa，炉前重新测定其各含量是否满足所述总配比构成后再搅拌2分钟出炉冷却得到钛铝合金铸锭；将所述钛铝合金铸锭放进熔化炉中进行熔化，熔化炉的抽真空度控制在3. 5Pa,待所述钛铝合金铸锭全部熔化并连续搅拌2分钟后用来浇铸壁厚在0. 6^1. Omm之间的薄壁涡轮叶片以及附铸试棒，薄壁涡轮叶片的结构尺寸不另给出，一般来讲薄壁涡轮叶片的
叶片尖处厚度约为0.6 L0mm之间而涡轮的直径只有50mm。由于薄壁涡轮叶片呈曲面状且难以对其进行力学性能测试，按等同测试方法可以对同炉次的所述附铸试棒进行力学性能测试，所述等同测试方法是本领域惯用的一种对比方法，因为薄壁涡轮叶片与附铸试棒浇铸用的含有微量铬碳的钛铝合金的材料、熔化环境是一致的。经测试所述附铸试棒在100(Tll0(TC之间的抗拉强度彡230MPa、延伸率彡18 %，薄壁涡轮叶片的铸造成品率^ 95 %，说明含有微量铬碳的钛铝合金具有较好的铸造流动性能。所述钛铝基合金的优选重量百分配比构成如下铝45. (T47. O、铌6. (T8. O、铬0. 4 0. 8、碳0. 2^0. 4以及余量钛和不可避免的微量杂质。所述钛铝基合金的优选重量百分配比构成如下
铝46. O、铌7. O、铬0. 6、碳0. 3以及余量钛和不可避免的微量杂质。本发明除上述配比构成外，还在下表中给出了 6种具体配比，6种具体配比的浇铸试验结果如下。
权利要求
1.一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法，所述钛铝合金中按重量百分比含有44. (Γ48. O的铝、5. (T9. O的铌、余量钛和不可避免的微量杂质，其特征是所述钛铝合金中按重量百分比还含有O. 2^1. 2的铬和O. Γ0. 5的碳，所述钛铝合金按重量百分比的总配比构成如下铝44. (Γ48. O、铌5. (T9. O、铬O. 2^1. 2、碳O. Γθ. 5以及余量钛和不可避免的微量杂质；上述所述铝以纯铝的方式加入配比中；上述所述铌以铌化铝的方式加入配比中，但其中铌化铝中的铝含量包含在所述铝之中；上述所述铬以铬化铝的方式加入配比中，但其中铬化铝中的铝含量包含在所述铝之中；上述所述碳以纯碳的方式加入配比中；上述所述钛以海绵钛的方式加入配比中；按上述各配比并一同放进真空感应炉中进行充氩熔炼，氩气的压力控制在60000 Pa， 待熔化后作出炉前各含量测定，各含量测定满足所述总配比构成后再搅拌2分钟出炉冷却得到初炼钛铝合金铸锭，再将所述初炼钛铝合金铸锭重新放在真空感应炉中进行充氩熔炼，此时氩气的压力依然控制在60000 Pa，炉前重新测定其各含量是否满足所述总配比构成后再搅拌2分钟出炉冷却得到钛铝合金铸锭；将所述钛铝合金铸锭放进熔化炉中进行熔化，熔化炉的抽真空度控制在3. 5Pa,待所述钛铝合金铸锭全部熔化并连续搅拌2分钟后用来浇铸壁厚在O. 6^1. Omm之间的薄壁涡轮叶片以及附铸试棒，由于薄壁涡轮叶片呈曲面状且难以对其进行力学性能测试，按等同测试方法可以对同炉次的所述附铸试棒进行力学性能测试，经测试所述附铸试棒在100(Γ1100 之间的抗拉强度彡230MPa、延伸率彡18 %，薄壁涡轮叶片的铸造成品率彡95 %。
2.根据权利要求1所述一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法，其特征是所述钛铝合金的优选重量百分配比构成如下铝45. (Γ47. O、铌6. (Γ8. O、铬O. 4^0. 8、碳O. 2^0. 4以及余量钛和不可避免的微量杂质。
3.根据权利要求1或2所述一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法，其特征是所述钛铝合金的优选重量百分配比构成如下铝46. O、铌7. O、铬O. 6、碳O. 3以及余量钛和不可避免的微量杂质。
全文摘要
一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法，该钛铝合金按重量百分比的配比构成是铝44.0~48.0、铌5.0~9.0、铬0.2~1.2、碳0.1~0.5以及余量钛和不可避免的微量杂质，按上述配比构成在真空感应炉中进行两次充氩熔炼，氩气压力控制在60000Pa，待熔化后作出炉前各含量测定再搅拌2分钟出炉冷却得到钛铝合金铸锭，再将钛铝合金铸锭放进熔化炉中并在抽真空度3.5Pa下进行熔化后用来浇铸壁厚在0.6~1.0mm之间的涡轮叶片以及附铸试棒，按等同测试方法可以对同炉次的附铸试棒进行力学性能测试，在1000~1100℃时的抗拉强度≥230MPa、延伸率≥18%，铸造成品率≥95%。
文档编号C22C1/02GK103045907SQ201210580479
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者周洪强, 包淑娟, 王哲, 王美姣 申请人:洛阳双瑞精铸钛业有限公司