專利名稱：一種鈦鎳鋁鉬高溫合金材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，通過在鈦鎳合金中添加Al、Mo元素來提高鈦鎳合金的室溫屈服強度和高溫力學性能的一種新型高溫合金材料。
背景技術：
目前，在動力、石化、運輸、特別是航空及航天等工業領域，應用在600℃以上的金屬結構材料通常為鎳基、鐵基和鈷基高溫合金。這些材料具有較高的密度(一般在8.0g/cm3以上)，所制成的構件和設備重量大，為了減輕結構重量，提高效率，降低能源消耗，必須開發低密度、高比強的新型高溫合金以適應相關工業領域未來發展的需要。
二元TiNi合金是一種具有優良力學性能、良好的耐蝕性和生物相容性的金屬間化合物，作為形狀記憶合金功能材料已經在醫學、工業和生活等領域得到廣泛的應用。這種合金的密度為6.3g/cm3，比鎳基、鐵基和鈷基高溫合金低20％左右。
在TiNi合金基礎上，通過添加高純度Al、Mo元素來提高合金的室溫屈服強度和高溫力學性能，開發出新型的低密度、高強度高溫合金替代傳統高溫合金，可以減輕結構重量，提高效率，降低能源消耗。
發明內容
本發明的目的是提出一種低密度、高強度TiNiAlMo高溫合金材料，該TiNiAlMo高溫合金作為結構材料在高溫使用，可以替代傳統的高密度鎳基、鐵基和鈷基高溫合金材料，可以減輕結構重量，提高效率，降低能源消耗。
本發明的一種鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)、1at％～15at％的鋁(Al)和0.5at％～5at％的鉬(Mo)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
所述的鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，也可以由50at％～60at％的鈦(Ti)、40at％～50at％的鎳(Ni)、4at％～10at％的鋁(Al)和0.5at％～5at％的鉬(Mo)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
所述的鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，其組份為Ti50Ni41.5Al8Mo0.5或者Ti53Ni40Al5Mo2。
所述的鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，在溫度18℃屈服強度為1100MPa～1900MPa，變形率大于10％；在高溫600℃～800℃屈服強度為1150MPa～350MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能在600℃～800℃靜態空氣中100小時氧化增重0.01mg/cm2～7.00mg/cm2；該鈦鎳鋁鉬高溫合金材料密度為5.60～5.90g/cm3。
本發明的一種鈦鎳鋁鉬高溫合金材料的制備方法，包括下列步驟(1)按配比稱取純度為99.9％的鈦(Ti)、純度為99.9％的鎳(Ni)、純度為99.9％的鋁(Al)和純度為99.9％的鉬(Mo)；(2)將上述稱取的Ti、Ni、Al、Mo原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2700℃～3000℃熔煉成TiNiAlMo高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAlMo高溫合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫12～24小時后，隨爐冷卻，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高溫合金材料。
本發明TiNiAlMo高溫合金材料的優點(1)在TiNiAl合金基礎上，通過添加高純度Mo元素來提高合金的室溫和高溫力學性能，這類合金密度為5.20～6.30g/cm3，室溫屈服強度為1200～1900MPa，塑性大于12％，在600℃～800℃之間屈服強度為1150MPa～350MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能在600℃～800℃靜態空氣中100小時氧化增重0.01mg/cm2～7.00mg/cm2；(2)該TiNiAlMo高溫合金材料與具有相同Al原子百分比的TiNiAl高溫合金相比，在600℃～800℃之間具有更高的屈服強度。
圖1是Ti50Ni415Al8Mo0.5圓柱試樣在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃溫度下的壓縮試驗結果曲線圖。
具體實施例方式
下面將結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)、1at％～15at％的鋁(Al)和0.5at％～5at％的鉬(Mo)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發明的鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，也可以由50at％～60at％的鈦(Ti)、40at％～50at％的鎳(Ni)、4at％～10at％的鋁(Al)和0.5at％～5at％的鉬(Mo)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發明TiNiAlMo高溫合金材料的制備方法和步驟如下(1)按配比稱取純度為99.9％的鈦、純度為99.9％的鎳、純度為99.9％的鋁和純度為99.9％的鉬；(2)將上述鈦、鎳、鋁和鉬原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2700℃～3000℃熔煉成TiNiAlMo高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAlMo高溫合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫12～24小時后，隨爐冷卻，即得到本發明要求的Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高溫合金材料。
采用線切割方法，將上述制得的TiNiAlMo高溫合金材料中切取直徑d＝6mm，高度h＝9mm的圓柱體作為力學性能測試樣品，采用MTS-880型萬能材料實驗機進行壓縮壓力-應變測試，壓縮應變速率為0.02mm/min，溫度范圍為室溫(18℃)～800℃之間選定的溫度點。采用線切割方法切取長L＝10mm，寬W＝5mm，高H＝5mm的長方體樣品作為密度和抗高溫氧化性能測試樣品，測量樣品的質量M1，運用公式ρ＝M1÷(L×W×H)計算合金密度ρ；在600℃～800℃之間選定溫度點，將樣品置于該溫度的靜態空氣中保持100小時后，測量樣品的質量M2，運用公式X＝(M2-M1)÷2(L×W+H×L+W×H)計算合金的單位表面積氧化增重X，采用精確度為10-4g的電子天平測量樣品的質量，使用精確度為10-2mm的游標卡尺測量樣品的尺寸。經測試Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高溫合金材料在不同溫度條件下的各性能參數如下表所示
本發明的Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高溫合金材料比二元TiNi合金材料的密度小，其屈服強度、變形率、抗高溫氧化能力強，有效地減輕了結構重量，提高了效率，降低了能源消耗，擴展了TiNi基合金材料的使用范圍。與具有相同Al原子百分比的TiNiAl高溫合金相比，在600℃～800℃之間具有更高的屈服強度。
實施例1制Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高溫合金材料(1)稱取50at％純度為99.9％的鈦、41.5at％純度為99.9％的鎳、8at％純度為99.9％的鋁和0.5at％純度為99.9％的鉬；(2)將上述鈦、鎳、鋁和鉬原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至2×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2800℃以上熔煉成TiNiAlMo高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAlMo高溫合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度2×10-3Pa，熱處理溫度850℃下保溫12小時后，隨爐冷卻，即得到本發明要求的Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高溫合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高溫合金材料中切取直徑d＝6mm，高度h＝9mm的圓柱體作為力學性能測試樣品，采用MTS-880型萬能材料實驗機進行壓縮壓力-應變測試，壓縮應變速率為0.02mm/min，在600℃下測得屈服強度和變形率分別為1100MPa和36％，在650℃下測得屈服強度和變形率分別為900MPa和39％。采用線切割方法切取長L＝10mm，寬W＝5mm，高H＝5mm的長方體樣品作為密度和抗高溫氧化性能測試樣品，測量樣品的質量M1＝1.4511g，計算合金密度ρ＝5.80g/cm3；將樣品置于600℃的靜態空氣中保持100小時后，測量樣品的氧化增重為0.005mg/cm2；將樣品置于650℃的靜態空氣中保持100小時后，測量樣品的氧化增重為0.015mg/cm2。其它不同溫度條件下的狀況請參見圖1所示。圖中示出Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高溫合金材料在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃溫度下的壓縮試驗結果。本發明的Ti50Ni41.5Al8Mo0.5高溫合金材料在800℃時的屈服強度最低，而在600℃～800℃之間屈服強度為較佳狀態。與具有相同Al原子百分比的Ti50Ni42Al8高溫合金相比，在600℃～800℃之間具有更高的屈服強度。
實施例2制Ti53Ni40Al5Mo2高溫合金材料(1)稱取53at％純度為99.9％的鈦、40at％純度為99.9％的鎳、5at％純度為99.9％的鋁和2at％純度為99.8％的鉬；(2)將上述鈦、鎳、鋁和鉬原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至2×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2800℃以上熔煉成TiNiAlMo高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAlMo高溫合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度2×10-3Pa，熱處理溫度900℃下保溫24小時后，隨爐冷卻，即得到本發明要求的Ti53Ni40Al5Mo2高溫合金材料。
采用線切割方法，將上述制得的Ti53Ni40Al5Mo2高溫合金材料中切取直徑d＝6mm，高度h＝9mm的圓柱體作為力學性能測試樣品，采用MTS-880型萬能材料實驗機進行壓縮壓力-應變測試，壓縮應變速率為0.02mm/min，在650℃下測得屈服強度和變形率分別為900MPa和32％，在700℃下測得屈服強度和變形率分別為700MPa和42％。采用線切割方法切取長L＝10mm，寬W＝5mm，高H＝5mm的長方體樣品作為密度和抗高溫氧化性能測試樣品，測量樣品的質量M1＝1.5512g，計算合金密度ρ＝6.20g/cm3；將樣品置于650℃的靜態空氣中保持100小時后，測量樣品的氧化增重為0.01mg/cm2；將樣品置于700℃的靜態空氣中保持100小時后，測量樣品的氧化增重為0.036mg/cm2。
本發明TiNiAlMo高溫合金材料，在TiNi合金基礎上，通過添加高純度Al、Mo元素來提高合金的室溫屈服強度和高溫力學性能，這類合金密度為5.20～6.30g/cm3，室溫屈服強度為1200～1900MPa，塑性大于12％，在600℃～800℃之間具有良好的力學性能，具有低密度、高強度、抗氧化能力強等優點。
權利要求
1.一種鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，其特征在于由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)、1at％～15at％的鋁(Al)和0.5at％～5at％的鉬(Mo)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
2.根據權利要求1所述的鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，其特征在于由50at％～60at％的鈦(Ti)、40at％～50at％的鎳(Ni)、4at％～10at％的鋁(Al)和0.5at％～5at％的鉬(Mo)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
3.根據權利要求1或2所述的鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，其特征在于鈦鎳鋁鉬高溫合金材料為Ti50Ni41.5Al8Mo0.5。
4.根據權利要求1或2所述的鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，其特征在于鈦鎳鋁鉬高溫合金材料為Ti53Ni40Al5Mo2。
5.根據權利要求1或2所述的鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，其特征在于在溫度18℃屈服強度為1100MPa～1900MPa，變形率大于10％；在高溫600℃～800℃屈服強度為1150MPa～350MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能在600℃～800℃靜態空氣中100小時氧化增重0.01mg/cm2～7.00mg/cm2；密度為5.60～5.90g/cm3。
6.根據權利要求1或2所述的鈦鎳鋁鉬高溫合金材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)按配比稱取純度為99.9％的鈦(Ti)、純度為99.9％的鎳(Ni)、純度為99.9％的鋁(Al)和純度為99.9％的鉬(Mo)；(2)將上述稱取的Ti、Ni、Al、Mo原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2700℃～3000℃熔煉成TiNiAlMo高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAlMo高溫合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫12～24小時后，隨爐冷卻，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15Mo0.5～5高溫合金材料。
全文摘要
本發明公開了一種鈦鎳鋁鉬高溫合金材料，該合金材料由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)、1at％～15at％的鋁(Al)和0.5at％～5at％的鉬(Mo)組成。該合金材料在室溫屈服強度為1100MPa～1900MPa，變形率大于10％；在高溫600℃～800℃屈服強度為1150MPa～350MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能在600℃～800℃靜態空氣中100小時氧化增重0.01mg/cm
文檔編號C22C1/02GK1644732SQ200510053910
公開日2005年7月27日 申請日期2005年3月14日 優先權日2005年3月14日
發明者趙新青, 徐惠彬, 李巖, 宮聲凱, 孟令杰 申請人:北京航空航天大學