一种含碳高铌钛铝基单晶合金的制作方法

本发明涉及一种含碳高铌钛铝基单晶合金，该合金强度高、塑性好，属于高温结构合金材料领域。

背景技术：

传统Ni基和Ti基高温合金的使用性能逐渐难以满足新时代航空发动机的性能要求，因此需要探索更加优异可靠的材料和加工工艺以进一步提高未来发动机的使用性能，如提高推重比、减轻机身重量、提高使用寿命等。对于下一代汽车和飞机发动机，新型结构材料必须是“更强、更轻”，这样才能提高效率，减少燃料消耗以及显著减少二氧化碳的排放。近几十年来，研究者将目光投向了新一代的高温合金，TiAl金属间化合物。TiAl金属间化合物具有低密度(3.9～4.2g/cm³)、良好的高温强度、抗蠕变性、良好的抗氧化和抗燃烧性能等优点。通过近几十年的研究，TiAl金属间化合物已经成功应用于汽车和飞机发动机行业。1999年，日本三菱公司采用TiAl-Nb合金替代原有的Ni基合金成功制得赛车发动机增压涡轮，有效地减小了发动机的启动时间、提高了发动机的综合性能，这是TiAl金属间化合物的首次商业应用。2002年，连续生产的锻加工高性能γ-TiAl合金赛车阀门已开始研发。2007年，波音公司采用成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb合金成功制作了航空发动机低压涡轮叶片，这一成果大大减轻了发动机的重量并具有优异的使用性能。然而，TiAl基合金也有其应用局限性，如低的室温塑性、较差的变形加工性能、较低的工作温度等，这些缺陷严重阻碍了TiAl合金在工程上的应用。

PST(Polysynthetic Twinned，PST)TiAl单晶合金，因其力学性能与片层取向之间的密切联系而尤其令人关注。可以预见，未来采用TiAl基单晶合金材料

制备的发动机叶片及其他机械零部件将进一步提高航空发动机的使用性能。单晶合金的组织与性能与合金的成分密切相关，采用合适的合金成分对于单晶合金的强度、塑性、高温性能的改善具有非常重要的意义。例如，Nb元素的添加显著提升了TiAl合金的使用性能，如强度、高温抗氧化性以及抗蠕变能力等。又如，合金元素C的添加具有固溶强化和沉淀硬化效应，合适的碳含量对于高铌钛铝合金及其单晶合金性能的提升具有潜在的价值。高铌TiAl合金及其单晶合金作为新一代的γ-TiAl合金已经成为研究者关注的焦点，如何进一步提升高铌TiAl合金及其单晶合金的性能是当下研究TiAl合金的热点之一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种含碳高铌钛铝基单晶合金，用于要求强度高、塑性好的高温结构机械零部件。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种含碳高铌钛铝基单晶合金，按质量百分比计，合金成分如下：0.01～0.1％C、10.00～19.69％Nb、13.48～30％Al，其余为Ti。

本发明含碳高铌钛铝基单晶合金与不含碳钛铝基多晶合金及其单晶合金相比，其显著优点是：(1)本发明含碳钛铝基单晶合金由于碳元素的添加具有固溶强化作用，并且在晶界和片层界面处形成的碳化物具有沉淀强化作用，并且在一定程度上能稳定片层组织结构，合金强度得到显著提高。(2)本发明含碳钛铝基单晶合金不仅强度高，而且塑性较好，具有优良的综合力学性能，合金中Nb的掺加，既能够提升超位错的移动能量，同时能够促使细小的纳米孪晶面更容易形成。这两者的共同作用使高铌单晶合金同时具备良好的强度和塑性。

附图说明

图1为本发明单晶合金(实施例1)的宏观组织图。

图2是本发明合金的合金组织模式图。

图3是本发明单晶合金(实施例1)扫描电镜显微组织图，其中，γ/α₂/γ片层边界处存在颗粒状碳化物。

图4是本发明含碳钛铝基单晶合金(实施例1)、含碳钛铝基多晶合金、不含碳钛铝基多晶合金以及不含碳钛铝基单晶合金室温压缩力学性能对比图。

具体实施方式

实施例1

一种含碳高铌钛铝基单晶合金，其特征在于按质量百分比计，合金成分如下：0.06％C、17.69％Nb、28.90％Al，其余为Ti。所述制备方法为：(1)配料。按质量百分比计，合金成分如下：0.06％C、17.69％Nb、28.90％Al，其余为Ti。(2)单晶合金制备：采用熔炼设备或单晶制备系统制备所述合金。

制得的单晶合金宏观组织图如图1所示。如图2所示为合金的微观组织模式图，碳化物颗粒几乎总是存在于沿γ/γ片层界面，而不是存在于γ片层内部。所有沉淀物的形成被证明与富钛相α₂的溶解相关。这是由于C在α₂相中的固溶度较大，在γ相中的固溶度极小，当过量的碳超过α₂相固溶度时，便在γ/α₂/γ片层边界处产生碳化物沉淀。在片层界面处的碳化物能够与片层产生相互作用，从而可提高合金的强度，尤其是合金的抗蠕变强度。如图3所示为合金的扫描电镜显微组织图，γ/α₂/γ片层边界处存在颗粒状碳化物。含碳高铌钛铝基单晶合金、含碳高铌钛铝基多晶合金、不含碳高铌钛铝基单晶合金、不含碳高铌钛铝基多晶合金的室温压缩力学性能对比如图4和表1所示。本发明含碳高铌钛铝基单晶合金强度明显高于其他合金，且塑性也较好，具有优良的综合力学性能。其原因在于C元素的固溶引起的固溶强化作用，除此之外，合金强度的提升也得益于碳含量超过合金固溶度时形成的碳化物而引起的沉淀强化效应。沉淀强化作用主要是位错与碳化物之间的相互作用而产生的。碳化物对位错产生钉扎作用，在合金变形时限制了位错的移动，从而提高了合金的强度。甚至在较高温度下，都能观察到这种位错与碳化物之间的相互作用作用。只有当温度足够高时，位错在变形期间产生攀移离开原来的滑移面而绕开碳化物沉淀。另一方面，合金结构中的Nb掺加，既能够提升超位错的移动能量，同时能够促使细小的纳米孪晶面更容易形成。这两者的共同作用使高铌单晶合金同时具备良好的强度和塑性。

实施例2

一种含碳高铌钛铝基单晶合金，其特征在于按质量百分比计，合金成分如下：0.03％C、19.58％Nb、27.8％Al，其余为Ti。所述制备方法为：(1)配料。按质量百分比计，合金成分如下：0.06％C、17.69％Nb、28.90％Al，其余为Ti。(2)单晶合金制备。实施效果见表1，从表1可知，本实施例的含碳高铌钛铝单晶合金的强度显著提高，塑性也较好。

实施例3

一种含碳高铌钛铝基单晶合金，其特征在于按质量百分比计，合金成分如下：0.09％C、15.66％Nb、29.24％Al，其余为Ti。所述制备方法为：(1)配料。按质量百分比计，合金成分如下：0.09％C、15.66％Nb、29.24％Al，其余为Ti。(2)单晶合金制备。实施效果见表1，从表1可知，本实施例的含碳高铌钛铝单晶合金的强度显著提高，塑性也较好。

表1

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。