专利名称：铌钛铝系金属间化合物耐热高温材料的制作方法
该发明涉及的是耐高温Nb-Ti-Al系合金，该合金具有明显优异的高温强度及高温抗氧化性、较低密度和一定的室温韧性，其极限使用温度明显高于现有Ni基高温合金。
高温材料应具有低密度、高温高强度及良好高温抗氧化等特征，目前已发展的高温结构用合金主要有常规高温合金、Ti基合金、Nb基合金、TiAl基及Ti3Al基金属间化合物等。
常规高温合金主要有铁基、镍基、钴基高温合金，这类合金具有相对高的密度(8～9g/cm3)，因而高温比强度较低，且极限使用温度不超过1100℃。
另一类高温结构材料为Ti基合金，该类合金具有较低密度约4.5g/cm3，但其较差的高温强度及高温抗氧化性限制其使用温度不超过650℃。
新型Nb基合金如Ti-36Nb-20Al-2Hf及Ti-30Nb-20Al-5Hf(at%)合金(EP0372322Al，专利号EP891217689)较Ni基高温合金具有较低密度(6～6.5g/cm3)，较高室温及中温强度，但900℃以上其屈服强度急骤降低，1000℃时屈服强度仅有120～160MPa，且抗氧化性较差。
Ti-Al系合金即TiAl基及Ti3Al基金属间化合物高温材料有以下优点(1)较低密度，尤其是TiAl基合金密度为3.7g/cm3，约为Ni基高温合金的一半。
(2)良好的高温强度，如TiAl基合金直至800℃时屈服强度及弹性模量仍未降低，与室温时水平相当。
但Ti-Al系金属间化合物具有以下缺点(1)高温抗氧化性较差，TiAl基合金抗氧化性明显差于Ni基高温合金，特别是在900℃时TiAl基合金抗氧化能力急骤降低。
(2)室温韧性较差，目前报道的TiAl基合金室温韧性Klc＝10～25MPa，合金化可改善TiAl基合金室温韧性，如US-№4294615(申请日期13.10.1981)发明的Ti-(31～36)wt%Al-(0.1～4)wt%V合金具有良好的室温韧性，但该合金高温比强度较低。
(3)不具有明显优越的高温强度，如上所述，TiAl合金直至800℃屈服强度仍保持不降，但其屈服强度水平仍较低。如日本专利特开平1-298127所发明的TiAl基合金800℃时屈服强度均低于400MPa;欧洲专利EP-0363598A1所发明的Ti-Al-Nb-Si或Zr(Si或Zr二者必含其一)合金，在室温韧性、抗氧化性、高温强度等方面均较TiAl合金有所改善，但从所给性能参数看，专利所发明的合金较对比合金Ti-32.38%Al-5.18%Nb(wt%)(特开平1-298127专利所发明合金)在抗氧化性、室温断裂韧性等方面均没有改善，只是合金高温强度水平有所提高，而且其强度水平也只是820℃100h最高蠕变断裂强度仅为350MPa，所以上述两专利所列举合金的性能水平亦不比现有Ni基高温合金优越，考虑到其较差的室温韧性，是难以取代现有高强Ni基高温合金的，特别是在使用温度超过820℃更是如此，即TiAl基合金极限使用温度较Ni基高温合金并不具优势。因此有必要进一步发展具有较优越性能的Ti-Al-Nb系金属间化合物材料。
本发明的目的是发展极限使用温度及强度优于TiAl基合金的新型耐高温材料，该类合金具有与TiAl基和Ti3Al基合金相近的密度，高温强度明显优于TiAl基及Ti3Al基合金，同时具有一定的室温韧性，本发明特别注重提高使用温度到950℃以上直至1100℃，要求所发明合金在该温度区间有比现有Ni基高温合金及TiAl基Ti3Al基合金更优的高温比强度，并且还有与Ni基高温合金相当的抗氧化性。
本发明的构成化学成分为Al28～34wt%Nb16～40wt%Y0～0.8wt%Ga0～5wt%Mn0～4wt%Hf0～10wt%其优先选择范围为Nb20～30wt%，Y0.2～0.6wt%，Al28～30wt%。其余为Ti及不可避免的杂质元素。
本发明所给出的性能较好的合金应处于上述成分范围内是因为鉴于Ti-Al相图中在Al含量处于26～36wt%之间合金处于Ti3Al+TiAl两相区，目前发展TiAl基合金都企图在这个Al含量范围内控制适当的Ti3Al及TiAl相的相对含量以得到优良的性能。本发明强调高的含Nb量(16～40wt%)是由于在高Nb范围内会形成新的有序金属间化合物TiAl超结构相及γ1相(NbTiAl3相)，同时还可得到含高Al、Nb的α相及α2相，因此本发明并不强调以TiAl为基，而是具有多相复合组织，这种成分范围保证本合金比TiAl基及Ni基高温合金有更高的熔点及高温性能，同时保持较低密度(4.0～4.7g/cm3)，高Nb合金能提高高温强度及使用温度，但对抗氧化性不利，加Y的目的在于改善抗氧化性，同时也有利于室温塑性，Ga、Mn、Hf作为提高合金高温强度及室温塑性的元素起到有利作用。
本发明的优点在于合金具有与TiAl基及Ti3Al基合金相近的密度ρ＝4.0～4.7g/cm3，具有一定的室温韧性Klc可达17MPam]]>，1100℃抗氧化性较TiAl合金提高约一个数量级，800℃屈服强度可达750MPa，1100℃屈服强度约为350～530MPa，即相应高温比强度明显优于TiAl基合金及Ni基高温合金，从高温强度及抗氧化能力看，该合金较TiAl基合金及Ni基高温合金具有更高的极限使用温度。
下面结合附图对本发明进一步说明
图1描述了TiAl系合金(Ti-48Al)，Ti3Al基合金(Ti-25 Al-11Nb)及本发明合金(№1Ti10Nb45Al(at%)，№12Ti18Nb48Al(at%))在0～1100℃不同温度下屈服强度值。其横坐标为摄氏温度，纵坐标为强度σ0.2单位为MPa，其中曲线1为本发明Ti18Nb48Al(at%)，曲线2为本发明Ti10Nb45Al，曲线3为Ti3Al基合金，曲线4为TiAl系合金。
实施例属于本发明所涉及成分范围内合金(表1)及对比用合金经真空自耗感应炉熔炼后浇注为铸锭，并线切割加工成所要求性能试样进行密度、抗氧化性和力学性能测试，合金密度采用水中浮重法测量，抗氧化性能试样为10×10×1mm，用1100℃100h等温静态氧化增重表征抗氧化性，表1及图1所给屈服强度及延伸率为压缩性能，试样尺寸12×φ6mm，应变速率
＝10-2/S，断裂韧性Klc试样为2.5×5×16mm矩形四点弯曲试样，本发明中№1及№12合金及用于对比的TiAl基及Ti3Al基合金0～1100℃屈服强度随温度变化曲线如图1，本发明合金具有明显优异的高温强度;表1所给对比合金为Ti-36wt%Al及Ti-32wt%Al-5wt%Nb合金。实施例中所给合金性能证明本发明所提Nb-Ti-Al系新型耐高温合金具有前述优异性能。
权利要求
1.一种Nb-Ti-Al系金属间化合物耐热高温材料，其特征在于化学成分为Al28-34wt%，Nb16-40wt%，Y0-0.8wt%，Ga0-5wt%，Mn0-4Wt%，Hf0-10wt%，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的Nb-Ti-Al系金属间化合物耐热高温材料，其特征在于优先选择范围为Nb20-30wt%，Y0.2-0.6wt%，Al28-30wt%。
全文摘要
本发明提供了一种Nb-Ti-Al系金属间化合物耐热高温材料，其特征是化学成分为Al28—34wt％，Nb16—40wt％，Y0—0.8wt％，Ga0—5wt％，Mn0—4wt％，Hf0—10wt％。余量为Ti。其优点在于该合金材料具有与TiAl基及Ti
文档编号C23C14/00GK1069775SQ9111195
公开日1993年3月10日 申请日期1991年12月31日 优先权日1991年12月31日
发明者陈国良, 张卫军, 孙祖庆, 王沿东 申请人:北京科技大学