铸造用钛铝基合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种铸造用钛铝基合金及其制备方法，属γ-TiAl基金属间化合物合金材料领域。该合金按原子百分比包括：Ti-(46.0～48.0)Al-(1.5～3.5)V-(0.5～1.5)Cr-(0.1～0.5)M，其中，M为Zr和Hf中的一种或两种，其余为杂质元素。进一步，按原子百分比可加入(0.1～0.5)C。该合金通过添加微量的固溶强化元素Zr和/或Hf以及弥散强化相形成元素C，在保持2.0％以上室温拉伸塑性的前提下，明显提高合金的高温强度、蠕变抗力和组织稳定性，从而改善该铸造钛铝基合金的高温服役性能，并将原有合金使用温度从750℃提高到850℃。适于制备长期工作于750℃～850℃的钛铝合金薄壁铸件，如车用发动机增压器涡轮和航空发动机低压涡轮叶片这类承受沿叶片长度方向载荷作用的部件。
【专利说明】铸造用钛铝基合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及Y-TiAl基金属间化合物轻质高温结构材料制备领域,特别是涉及一种在保持室温拉伸塑性的前提下高温力学性能明显改善的铸造用钛铝基合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002]航空、航天、车辆、舰船发动机性能的提高，要求发展比强度高、比模量高和耐更高使用温度的新型高温结构材料。Y-TiAl基合金具有低密度、较高弹性模量以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化等优点，应用于航空、航天和车用发动机热端部件将通过结构减重提高发动机的工作效率，具有重要的技术推动作用。例如，与装配镍基高温合金增压器涡轮的发动机相比，配备钛铝合金增压器涡轮的柴油发动机，响应时间、比油耗和稳态烟度均明显降低，发动机性能显著提高，并产生了明显节能减排效果。然而，钛铝基合金室温本征塑性不足，限制了其工程化应用。近年来，通过组织控制和合金化基本解决了其室温脆性问题，部分钛招基合金已经具备工程应用的条件。
[0003]钢铁研究总院申请的专利CN1024927中记载，控制Ti/Al原子比并应用Cr和V两种元素的复合合金化，T1-(30~34wt% )A1-(1~6wt% )V_(1~6wt% )Cr合金室温拉伸塑性变形可达4.8%，创当时国际上TiAl金属间化合物合金室温拉伸塑性的最高水平；同时，该成分的铸造合金也表现出优异的室温拉伸塑性(大于1.7%)。进一步优化Ti/Al原子比以及Cr和V的配合，得到了室温拉伸塑性进一步改善的T1- (46.0~48.0)、A1_ (1.5~3.5)V-(0.5~1.5)Cr合金。力学 性能测试表明，该铸造合金表现出优异的室温拉伸塑性和强度组合，其中，室温拉伸塑性大于2.5%，同时，在650~750°C范围内具有较好的高温强度和蠕变抗力。然而，由于未添加高熔点合金元素(Nb、W、Mo、Ta等)或者弥散相形成元素(C、B、Si等)，该合金高温强度、蠕变抗力、长时组织稳定性尚不能满足750°C以上温度的使用要求。因而，需要找到一种方法，在保持室温拉伸塑性的前提下，改善该合金的高温力学性能，以满足更高温度使用的要求。
[0004]添加高含量的高熔点合金元素，通过固溶强化和提高组织稳定性，可改善钛铝基合金的高温力学性能。例如，专利US5207982和US5286443报道，添加高含量(I~4at% )的高熔点合金元素Nb、W、Mo、Ta、Y、Zr、Hf，可明显改善钛铝合金的高温强度、抗腐蚀性和抗氧化性，但均导致室温拉伸塑性明显降低。专利US5286443认为，当这些高熔点合金元素(Nb、W、Mo、Ta、Y、Zr、Hf)添加量小于0.5&丨％时，其强化作用很小。专利EP0636701报道，铸造 T1-47Al-2Nb-lMn-0.5ff-0.5Mo_0.2Si(at% )合金 65(TC /276MPa、76(TC /138MPa、815°C /138MPa蠕变量0.5%所对应时间是T1-48Al-2Cr-2Nb(at% )的10倍以上，但前者
1.3%的室温拉伸塑性也低于后者2.0%以上的室温拉伸塑性。这表明，高熔点合金元素添加量约0.5at%、多种元素的微合金化方法的确有利于改善钛铝合金的蠕变性能，但仍造成了钛铝合金室温拉伸塑性明显降低。
[0005]添加C、B、Si等元素形成弥散强化相，可改善高温力学性能。例如，专利EP2657358报道，添加0.016~0.05wt % C，改善了铸造T1-48Al-2Cr-2Nb (at % )合金的抗蠕变性能，将其使用温度从760°C提高至870°C，但是其室温拉伸塑性从2.0%以上降低到
0.3~1.6%。专利EP1052298也报道了相似的现象，在铸造47A1XD合金中添加0.037~
0.069wt % C，可明显改善 650°C /276MPa、760°C /138MPa、815°C /138MPa 的蠕变性能，同时，其室温拉伸塑性也从0.8%降低到0.4%。显然，添加微量的C的确有利于改善合金高温蠕变性能，但也导致了室温拉伸塑性的降低。此外，专利US6294132报道，在钛铝合金中添加0.2~0.5at% Si,可明显改善合金的抗氧化性,且形成的Ti5Si3相可明显提高合金的高温强度和蠕变强度，但也造成合金室温拉伸塑性降低。专利US5284620报道，在T1-47Al-2Mn-2Nb合金中添加0.3at% B,形成TiB2强化相，可明显提高合金的高温强度，但其室温拉伸塑性也从1.7%降低到0.5%。可见，添加C、S1、B等弥散强化相形成元素，的确提高合金的高温力学性能，但都不同程度地降低了合金的室温拉伸塑性。
[0006]可见，在现有技术条件下，添加高含量的高熔点合金元素以及微量的弥散强化相形成元素，尽管可明显改善钛铝基合金的高温力学性能，但均不同程度地降低了室温拉伸塑性(使室温拉伸塑性小于2.0% )。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是提供一种改善铸造钛铝基合金高温力学性能的微合金化方法，能在改善钛铝基合金的高温力学性能的同时，保持2%的室温拉伸塑性，从而解决现有方法存在虽改善了钛铝基合金的高温力学性能，但均无法保持室温拉伸塑性不小于2%的问题。
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供一种铸造用钛铝基合金，该合金原子百分比包括:
[0009]T1-(46.0 ~48.0) Al-(1.5 ~3.5) V-(0.5 ~1.5) Cr-(0.1 ~0.5)M，其中，M 为 Zr和Hf中的一种或两种,其余为杂质元素。
[0010]本发明实施例还提供一种对权利要求1铸造用钛铝基合金的制备方法，包括:
[0011]以原子百分比为T1-(46.0~48.0) Al-(1.5~3.5) V-(0.5~1.5) Cr的合金为原料；
[0012]向所述原料中加入原子百分比(0.1~0.5)M，其中，M为Zr和Hf中的一种或两种，加入M后制成的合金即为铸造用钛铝基合金。
[0013]本发明的有益效果为:通过加入与Ti属于同一副族元素的高熔点合金元素Zr和/或Hf，并控制加 入量小于等于0.5at %，Zr和/或Hf与Ti元素具有相同的最外层电子排列和晶体结构，能与Ti形成无限固溶体，在保持2.0%以上室温拉伸塑性的前提下，明显提高合金的高温强度、蠕变强度和组织稳定性的前提下，有效改善了该合金的高温服役性能。本发明突破了钛铝基合金中高熔点合金元素添加量小于等于0.5at%时强化作用几乎消失的合金化设计理念，通过采用与合金中Ti属于同一副族元素的低添加量高熔点合金元素的方式，实现在保持室温拉伸塑性的前提下改善了铸造钛铝基合金高温力学性能的效果。
【具体实施方式】
[0014]下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0015]本发明实施例提供一种铸造用钛铝基合金，该合金按原子百分比(at% )包括:T1-(46.0 ~48.0)Α1-(1.5 ~3.5)V-(0.5 ~1.5)Cr-(0.1 ~0.5)Μ，其中，M 为 Zr 和 Hf 中的一种或两种，其余为杂质元素。
[0016]具体的，该铸造用钛铝基合金按原子百分比组成为以下中的任一种:
[0017](I) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) Zr ;
[0018](2) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) Hf ;
[0019](3) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) (Zr+Hf)；
[0020]优选的，上述合金中，M采用Zr和Hf，M的原子百分比为(0.2~0.5)。该铸造用钛铝基合金按原子百分比具体组成 为:T1-(46.0~48.0)A1-(1.5~3.5)V-(0.5~1.5)Cr- (0.2 ~0.5) (Zr+Hf)。
[0021]在上述合金的基础上，按原子百分比还可以进一步加入(0.1~0.5) C，该铸造用钛铝基合金原子百分比具体组成为以下中的任一种:
[0022](5) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) Zr- (0.1 ~
0.5)C ；
[0023](6) T1-(46.0 ~48.0) Al- (1.5 ~3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.1 ~0.5) Hf-(0.1 ~
0.5)C ；
[0024](7)T1-(46.0 ~48.0)Α1_(1.5 ~3.5)V_(0.5 ~1.5)Cr_(0.1 ~0.5)(Zr+Hf) - (0.1 ~0.5) C ;
[0025]优选的，该铸造用钛铝基合金按原子百分比组成为:Ti_(46.0~48.0)A1-(1.5~
3.5) V- (0.5 ~1.5) Cr- (0.2 ~0.5) (Zr+Hf) - (0.1 ~0.5) C。
[0026]上述合金中单独加入Zr时，Zr的优选原子百分含量可以为:0.1~0.3&七％，更优选为0.2at% ;单独加入Hf，Hf的优选原子百分含量可以为0.1~0.3at%，更优选为
0.2at% ；C的优选原子百分含量可以为0.2~0.3at%，更优选为0.2%。
[0027]本发明实施例还提供一种制备上述铸造用钛铝基合金的制备方法，包括以下步骤:
[0028]以原子百分比为T1-(46.0~48.0) Al-(1.5~3.5) V-(0.5~1.5) Cr的合金为原料；
[0029]向所述原料中加入原子百分比(0.1~0.5)M，其中，M为Zr和Hf中的一种或两种，形成的合金即为铸造用钛铝基合金。具体可采用真空自耗电弧炉或者水冷铜坩埚真空感应炉冶炼得到该合金。
[0030]进一步的，上述方法还包括:向所述原料中按原子百分比加入(0.1~0.5)C。优选的，按原子百分比C的加入量为(0.2~0.3)。
[0031 ] 本发明实施例的钛铝基合金中，Zr和Hf与Ti属于同一副族元素，具有相同的最外层电子排列和晶体结构，且能和Ti形成无限固溶体，这两个元素均属于高熔点合金元素。
[0032]该合金中，单独添加微量(小于等于0.5at%)的Zr，通过固溶强化和细化层片间距提高材料强度，且可通过降低Al在基体中的扩展系数抑制层片组织在后续热处理和使用过程中的分解，由此改善了合金的高温强度、蠕变抗力和长时组织稳定性。当Zr含量超过本发明限定的上限(大于0.5at% )时，凝固过程中易形成初生β相，残余β相转变得到的B2相不利于室温拉伸塑性和高温强度。
[0033]该合金中，单独添加微量(小于等于0.5at%)的Hf，细化了层片间距，且通过固溶强化以及偏聚于层片界面的特点可提高材料的高温强度和组织稳定性。当Hf含量超过本发明限定的上限(大于0.5at%)时，凝固过程中易形成初生β相，残余β相转变得到的B2相不利于室温拉伸塑性和高温强度。
[0034]进一步的该合金中，添加微量(小于等于0.5at%)的C，通过在界面附近形成Ti3AlC或者Ti2AlC弥散强化相，可明显改善合金的蠕变强度。添加量超过本专利的上限时，将导致合金的室温拉伸塑性明显降低。[0035]本发明实施例的微合金化方式得到的钛铝基合金，可采用真空自耗电弧炉或者水冷铜坩埚真空感应炉冶炼制得，由于高熔点合金元素Zr和/或Hf、以及C添加量均小于等于0.5at%，尽管合金室温拉伸塑性略有降低，但仍然保持在2.0 %以上，而且明显提高合金的高温强度、蠕变强度和组织稳定性，从而改善了该合金的高温服役性能。突破了钛铝基合金中高熔点合金元素添加量小于0.5at%时强化作用几乎消失的合金化设计理念，首次采用低添加量高熔点合金元素和弥散强化相形成元素的合理组合，实现了在保持室温拉伸塑性的前提下改善铸造钛铝基合金高温力学性能的效果。该合金适于制备在750~850°C长期使用的钛铝基合金薄壁铸件，尤其是低压涡轮叶片和增压器涡轮这类承受沿叶片长度方向载荷作用的部件。具体可应用精密铸造方法制备增压器涡轮和低压涡轮叶片等铸件。
[0036]下面结合具体实施例对本发明的钛铝基合金作进一步说明。
[0037]本发明实施例的钛铝基合金均采用海绵钛、纯铝、纯铬、纯锆、纯铪、高纯石墨、A1V55合金作为原料，按照实施例1至实施例12的成分进行配料，采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼得到母合金，浇注试样，并在1200~1300°C /120~180MPa/l.0~4.0h热等静压处理和900~1000°C /12~24h/真空退火处理。实施例1至实施例12试验结果见下表。
[0038]下表为本发明实施例合金与对比合金的室温拉伸性能和850°C拉伸强度
[0039]
【权利要求】
1.一种铸造用钛铝基合金，其特征在于，该合金按原子百分比包括:
T1-(46.0 ~48.0)Α1-(1.5 ~3.5) V-(0.5 ~ 1.5)Cr-(0.1 ~0.5)Μ，其中，M 为 Zr 和Hf中的一种或两种，其余为杂质元素。
2.根据权利要求1所述的铸造用钛铝基合金，其特征在于，所述合金按原子百分比还包括:(0.1 ~0.5) C0
3.根据权利要求2所述的铸造用钛铝基合金，其特征在于，所述合金中C的原子百分比为 0.2 ~0.3。
4.根据权利要求2或3所述的铸造用钛铝基合金，其特征在于，所述合金中C的原子百分比为0.2。
5.根据权利要求1、2或3所述的铸造用钛铝基合金，其特征在于，所述合金中，M采用Zr和Hf，M的原子百分比为(0.2~0.5)。
6.根据权利要求1、2或3所述的铸造用钛铝基合金，其特征在于，所述合金中M采用Zr时，Zr的原子百分比为0.1~0.3 ; 所述合金中M采用Hf时，Hf的原子百分比为0.1~0.3。
7.根据权利要求6所述的铸造用钛铝基合金，其特征在于，所述合金中Zr的原子百分比为0.2 ;所述合金中Hf的原子百分比为0.2。
8.一种对权利要求1铸造用钛铝基合金的制备方法，其特征在于，包括: 以原子百分比为T1-(46.0~48.0) Al-(1.5~3.5) V-(0.5~1.5) Cr的合金为原料； 向所述原料中按原子百分比加入(0.1~0.5)Μ，其中，M为Zr和Hf中的一种或两种，加入M后制成的合金即为铸造用钛铝基合金。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括: 向所述原料中按原子百分比加入(0.1~0.5)C。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，向所述原料中按原子百分比加入(0.2~0.3) Co
【文档编号】C22C14/00GK103924121SQ201410178115
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】张熹雯, 骆晨, 朱春雷, 李胜, 李海昭, 王新英, 张继 申请人:北京钢研高纳科技股份有限公司