本发明为一种ti2alnb合金及其棒材的制备方法，属于ti-al系金属间化合物
技术领域：
。
背景技术：
：与传统的高温钛合金相比，ti-al系合金具有密度低、比强度高，抗氧化性能好等特点，是650℃以上航空、航天耐高温轻质结构件的重要选材。ti2alnb合金是ti-al系合金的中一个重要类别，目前ti2alnb合金逐步由ti-al-nb三元系向多元合金化发展，具有代表性的三元ti2alnb合金包括ti-23al-24nb、ti-22al-25nb以及ti-22al-27nb等，多元合金化ti2alnb合金包括ti-22al-20nb-7ta、ti-22al-24nb-0.5mo、ti-22al-23nb-1mo-1zr、ti-22al-20nb-2w等(均为原子百分比)，同时还有一些添加v的ti2alnb合金也在开发中，添加v元素对合金的工艺塑性有利，但对高温持久蠕变性能的影响仍有待考察。现有ti2alnb合金的短板来自两个方面：一是抗氧化性能，ti2alnb合金的nb含量普遍在20％以上，落于抗氧化性能不利的区域中；二是蠕变性能偏低，由于高合金化特征，片状和双态组织的ti2alnb合金其基体b2转变组织均过于细小，不利于蠕变性能。以显著提升抗氧化性能、高温蠕变性能为目标，开发含高熔点元素的多元合金化的ti2alnb合金是重要的方向，但需要甄别合金元素对抗氧化性能、关键力学性能和工艺性能的影响，以及元素组合影响的叠加作用。通过元素组合的强化作用，为组织调控提供空间，更有利于高温强度性能的调控。从制备工艺的角度看，含高熔点元素的多元合金化ti2alnb合金的工艺塑性比简单合金化的ti2alnb合金材料进一步降低，增加了棒材锻造的难度，因此对高合金化ti2alnb合金棒材制备工艺需要进一步创新，提高成材率和棒材质量。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ti2alnb合金及其棒材的制备方法，其目的是提高抗氧化和蠕变性能。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明技术方案提供了一种ti2alnb合金，其特征在于：该合金中包括的金属成分及其原子百分比为：al22％～25％，nb20％～23％,zr、hf、w、mo和ta，且zr+hf+w+mo+ta1％～10％，余量为ti以及不可避免的杂质。在一种实施中，该合金中的金属w的原子百分比为0.5％～3.0％。在一种实施中，该合金中的金属zr+hf的原子百分比为0.5％～2.0％。在一种实施中，该合金中还包括si元素，原子百分比为0.1～0.5％。本发明技术方案还提供了一种制备上述ti2alnb合金棒材的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：步骤一、铸锭制备：采用多次真空自耗熔炼工艺制备ti2alnb合金铸锭；步骤二、镦粗变形：在ti2alnb合金铸锭表面涂刷保温涂料，然后在1120℃加热并保温，出炉后在快锻机上进行镦粗变形，镦粗压下变形量为50％，然后空冷，得到ti2alnb合金坯料，打磨表面褶皱和裂纹；步骤三、挤压拔长：镦粗后的ti2alnb合金坯料表面涂刷抗氧化涂料，在1080℃加热并保温，出炉后表面喷涂玻璃润滑剂并用火焰烘烤，然后置于挤压机进行挤压拔长，挤压比4:1；步骤四、重复步骤二、三两次，得到初级棒坯；步骤五、将初级棒坯在950℃进行镦拔锻造3～5火次，每火次镦拔锻造的镦粗和挤压拔长变形量为35％～50％，得到二次棒坯；步骤六、二次棒坯在900℃加热保温，然后随炉冷却至600℃以下出炉，完成组织均匀化处理；步骤七、对完成均匀化处理的二次棒坯在950℃进行挤压拔长成形，得到ti2alnb合金的棒材，挤压拔长成形阶段单火变形量不超过30％。在一种实施中，步骤一中，ti2alnb合金铸锭变形前在1120℃加热保温24小时进行去应力和均匀化处理。在一种实施中，步骤二中，保温的分钟数为0.4d1，d1为ti2alnb合金铸锭的直径。在一种实施中，步骤三中，保温的分钟数为0.6d2，d2为ti2alnb合金坯料的直径。在一种实施中，步骤六中，保温的分钟数为0.8d3，d3为二次棒坯的直径。在一种实施中，在挤压拔长中对挤压筒预热至220℃，挤压速度为100mm/。本发明技术方案中通过添加mo、ta元素，达到提高高温强度的目的。本发明技术方案中，制备ti2alnb合金铸锭的原材料包括海绵钛、海绵锆、al-nb合金、ti-hf合金、al-w合金、al-mo合金、al-ta合金、铝豆等，用散料压制电极块，电极块经焊接后用于真空自耗熔炼，一般经过3、4次真空自耗熔炼完成铸锭制备；本发明的优点或有益效果在于两个方面，合金化方面，通过w+zr+hf，或w+zr+ta、w+zr+mo+ta等元素组合的叠加作用，使ti2alnb合金具有更好的抗氧化性能，以及更好的固溶强化效果，使得ti2alnb合金多种组织形态均可以获得更高的高温拉伸强度和蠕变强度，为组织性能调控提供了空间。在制备工艺方面，针对高合金化ti2alnb合金工艺塑性降低的特点，采用了自由镦粗+挤压拔长复合工艺进行铸锭开坯，由于镦粗和挤压工序变形条件较好，本发明中设置的铸锭/坯料的加热温度均较低，而通常自由锻造开坯阶段，第1、2火铸锭/坯料加热温度均在1150℃以上。单相区较低的坯料加热温度，能够避免b2晶粒在加热过程中的长大、减轻表面氧化，降低表面氧化层引起的脆化倾向。在本发明中，棒材成形锻造前，进行了900℃保温慢冷处理，使显微组织进一步均匀化，弱化锻造织构，有利后续锻件的制备和锻件的组织均匀性控制。具体实施方式表1为ti2alnb合金7种金属成分及其原子百分比含量，表1ti2alnb合金铸锭成分序号成分，原子百分比1ti-24al-20nb-0.5w-1zr2ti-23al-20nb-1w-1zr3ti-22al-20nb-2w-1zr4ti-23al-20nb-2w-1zr-0.5si5ti-23al-20nb-1w-1zr-1hf6ti-23al-20nb-1w-1zr-1ta7ti-23al-20nb-1w-1zr-1mo制备表1中ti2alnb合金棒材的方法的步骤如下：①采用3次真空自耗熔炼工艺制备ti2alnb合金100kg铸锭，铸锭化学成分原子百分比见表1。对铸锭进行了车削扒皮，并切去冒口和底垫，成品铸锭规格为②铸锭表面涂刷抗氧化涂料，然后在1120℃加热保温，保温时间为65分钟，达到保温时间后出炉在快锻机上进行镦粗变形，镦粗压下量约为50％，得到棒坯，棒坯冷却后打磨表面折叠、裂纹等缺陷；③将镦粗变形后的棒坯表面涂刷抗氧化涂料，在1080℃加热保温，保温时间为130分钟。同时将挤压筒预热至200℃，棒坯达到保温时间后出炉，表面喷涂玻璃润滑剂并用火焰烘烤，然后置于挤压机进行挤压拔长，挤压速度为100mm/s，挤压比4:1，得到的挤压棒坯；④重复进行上述镦粗和挤压拔长工序，完成7个成分铸锭在b2单相区的开坯变形；⑤棒坯进一步在(α2+b2)两相区进行镦拔锻造，棒坯加热温度为1000℃，保温时间为120分钟，镦粗和拔长变形量分别为35％，变形后空冷，棒坯装炉加热前表面均涂刷抗氧化涂料，锻后打磨清理裂纹；⑥棒坯在900℃加热保温120分钟，然后随炉冷却至500℃以下出炉；⑦棒坯进一步在快锻机上进行成形锻造，分3火进行拔长，棒坯每火加热温度为1000℃，保温时间按0.8d计算分钟数；⑧力学性能检测从每个成分的棒材上切取纵向试样坯，热处理后检测力学性能，热处理制度为：950℃×2h/ac+800℃×20h/ac，力学性能检测项目为室温、700℃拉伸性能，700℃/100mpa/100h蠕变性能，结果见表2。表2ti2alnb合金棒材的力学性能表3750℃/100h氧化增重序号1234567g/m2·h0.1250.1760.1080.1020.0920.1210.195从上述表2、3中可以看出，本发明提供的ti2alnb合金具有良好的抗氧化性能，700℃抗拉强度800mpa以上，700℃蠕变性能提高50％。当前第1页12