一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料技术领域本发明是一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，属于材料技术领域。
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％。TiAlNb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700℃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。
技术实现要素：
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，其目的是在现有技术基础上，使该材料具有较低的密度，并具有更高的室温塑性及强度，而且具有很好的抗蠕变性能。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：该种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料，其特征在于：该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Mo、V、W、Ta或Zr中的一个或两个组合0.5～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～1.0％，余量为Ti。在上述技术方案的基础上，本发明对化学成分的重量百分比又进行了细化和限定，其内容如下：该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Mo0.5～1％，Si0.5～1.0％，余量为Ti。该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，W1～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～0.8％，余量为Ti。该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Ta1～1.95％，Si、C中的一个或两个组合0.4～0.8％，余量为Ti。该金属间化合物的化学成分和重量百分比为：Al20.0～30.0％，Nb20.0～30.0％，Mo0.1～0.5％，Si、C中的一个或两个组合0.4～0.8％，余量为Ti。本发明技术方案的形成是建立在对该种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的研究基础之上的，根据研究结果，该种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分可以用Ti-Al-Nb-X1-X2表达式来表示，其中，X1是固溶微量合金元素，所述固溶类合金元素包括Mo、V、W、Ta、Zr中的任意一个或两个的组合，X2是析出相微量合金元素，所述X2为Si、C中的一种或两个的组合。研究结果显示，该种Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料熔体在凝固冷却过程中，Mo、V、W、Ta、Zr等合金元素固溶到Ti-Al-Nb基体当中，改变局部晶格尺寸，从而起到固熔强化作用，提高合金强度，Si、C元素的加入在熔体中析出硅化物及碳化物颗粒相，起到析出相强化作用，提高合金高温蠕变性能。通过与不添加其它元素的相近成分Ti-Al-Nb合金相比，在延伸率保持基本相同的前提下，其室温抗拉强度提高50～150MPa，室温屈服强度提高20～120MPa，700℃高温抗拉强度提高30～100MPa，700℃高温蠕变性能提高20％左右。具体实施方式以下将结合实施例是对本发明技术方案作进一步地详述：以下实施例中使用的金属为：颗粒状的海绵钛，0A级，铝为颗粒状的高纯铝豆，高纯铝豆中铝元素的质量百分比达到99.99％，使用的中间合金为：Al-Nb合金，Ti-Nb合金，Al-Mo合金，Al-V合金和AlSi合金，另外还包括锆屑、碳粉、钨粉、钽粉原料。实施例1该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al10.84％，Nb42.43％，Mo0.88％，Si0.70％，余量为Ti。制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆两种金属，以及Al-75Nb、TiNb50、Al-50Mo、Al-12Si四种中间合金按配比称取，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，并浇注进入钢模中，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，各项力学性能及抗氧化性能如下：室温拉伸性能σb≥950MPa，σp0.2≥850MPa，δ5≥8％，Ψ≥10％；700℃拉伸性能σb≥750MPa，σp0.2≥700MPa，δ5≥10％，Ψ≥14％；高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.2％；高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.256g/(m2.h)。该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加Mo、Si两种微量合金元素，通过Mo元素的固溶强化及Si元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了90Mpa，室温屈服强度提高50MPa，700℃高温抗拉强度提高100MPa，700℃高温蠕变性能提高25％。实施例2该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al9.44％，Nb48.75％，Mo0.84％、V0.45％，Si0.5％、C0.1％，余量为Ti。制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆两种金属，碳粉以及Al-75Nb、TiNb50、Al-50Mo、Al-50V、Al-12Si五种中间合金按配比称取，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，并浇注进入钢模中，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。各项力学性能及抗氧化性能如下：室温拉伸性能σb≥910MPa，σp0.2≥820MPa，δ5≥6％，Ψ≥8％；700℃拉伸性能σb≥770MPa，σp0.2≥730MPa，δ5≥17％，Ψ≥26％；高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.1％；高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.271g/(m2.h)。该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加Mo、V、Si、C四种微量合金元素，通过Mo、V元素的固溶强化及Si、C元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了60Mpa，室温屈服强度提高20MPa，700℃高温抗拉强度提高120MPa，700℃高温蠕变性能提高60％。实施例3该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al15.78％，Nb36.23％，W1.79％，C0.4％，余量为Ti。制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆两种金属，纯度为99.9％的钨粉以及TiNb50、Al-75Nb两种中间合金按配比称取，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，并浇注进入钢模中，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。，各项力学性能及抗氧化性能如下：室温拉伸性能σb≥1050MPa，σp0.2≥890MPa，δ5≥7％，Ψ≥9％；700℃拉伸性能σb≥680MPa，σp0.2≥610MPa，δ5≥18％，Ψ≥25％；高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.15％；高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.327g/(m2.h)。该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加W、C两种微量合金元素，通过W元素的固溶强化及C元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了190Mpa，室温屈服强度提高90MPa，700℃高温抗拉强度提高30MPa，700℃高温蠕变性能提高40％。实施例4该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al10.49％，Nb44.34％，Ta1.20％，C0.5％，余量为Ti。制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆、纯度99.9％钽粉三种金属，碳粉以及TiNb50、Al-75Nb两种中间合金按配比称取，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，并浇注进入钢模中，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。各项力学性能及抗氧化性能如下：室温拉伸性能σb≥930MPa，σp0.2≥850MPa，δ5≥7％，Ψ≥11％；700℃拉伸性能σb≥700MPa，σp0.2≥670MPa，δ5≥15％，Ψ≥20％；高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.21％。高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.268g/(m2.h)。该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加Ta、C两种微量合金元素，通过Ta元素的固溶强化及C元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了80Mpa，室温屈服强度提高50MPa，700℃高温抗拉强度提高50MPa，700℃高温蠕变性能提高16％。实施例5该Ti-Al-Nb系金属间化合物高温结构材料的化学成分和重量百分比为：Al11.39％，Nb40.93％，Ta1.26％、V0.47％，Si0.8％、C0.2％，余量为Ti。制备工艺：将海绵钛、高纯铝豆、纯度99.9％钽粉三种金属，碳粉以及TiNb50、Al-75Nb、Al-50V、Al-12Si四种中间合金按配比称取，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，并浇注进入钢模中，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。各项力学性能及抗氧化性能如下：室温拉伸性能σb≥1000MPa，σp0.2≥920MPa，δ5≥6％，Ψ≥8％；700℃拉伸性能σb≥740MPa，σp0.2≥700MPa，δ5≥18％，Ψ≥24％；高温蠕变性能700℃/100Mpa/100h条件下残余变形≤0.2％。高温氧化增重700℃/100h条件下平均氧化速率0.248g/(m2.h)。该实施例通过在Ti-Al-Nb合金中添加Ta、V、C、Si四种微量合金元素，通过Ta、V元素的固溶强化及C、Si元素的析出强化作用，使合金室温强度由原来的提高了150Mpa，室温屈服强度提高120MPa，700℃高温抗拉强度提高80MPa，700℃高温蠕变性能提高25％。