專利名稱：一種高溫抗氧化蠕變性能優異適合鑄造的鈦鋁基合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫合金領域技術，特別是一種高溫抗氧化蠕變性能優異適合鑄造的鈦鋁基合金。
背景技術：
隨著航空、航天、汽車、艦船等發動機性能不斷提高，對高溫材料的性能提出了更高的要求，即更高的強度、抗氧化性能和更輕的密度等。Y-TiAl基合金材料具有良好的高溫強度、蠕變抗力和抗氧化性能等優點，正在發展成為新一代航空發動機材料，可用于制造壓氣機、燃氣渦輪機葉片，壓氣機定子擋風板，定子機座以及其他形狀復雜的大尺寸鑄造和鍛造零件，以部分替代笨重的鎳基高溫合金，可減重約50%。Y-TiAl基合金已用于制造汽車發動機的渦輪增壓器、氣閥等。目前，中國和世界各工業國家都在積極地開展研究，但已經實際應用的合金種類很少。從鈦鋁二元相圖分析，當Al含量高于51at%時，鈦鋁合金鑄造過程中凝固路線為 Y相凝固，凝固后的鈦鋁合金處于Y單相區。單相Y-TiAl的室溫延伸率非常差，原因是單相Y-TiAl室溫下很多位錯不可動，而主要的滑移位錯又被層錯偶極子釘扎。而α2+γ 兩相組織在延伸率和強度上明顯優于單相Y-TiAl，原因是Ci2吸收氧，從而降低了 γ中的氧含量，利于位錯滑移。早期在鈦鋁合金制備過程中α相凝固路線研究很多。鈦鋁二元相圖顯示，當Al 含量高于49. 4 at%，低于51at%時，鈦鋁合金材料的凝固路線為α相凝固，α相凝固路線如下丄(液相)-L+a-a-a + y- y- a2+y,室溫下組織為a 2+ Y。凝固過程中 L相冷卻時首先生成固相α，α晶體將擇優沿其c軸生成，從而形成明顯的柱狀晶體特征， 而后續形成的Y片層垂直于α相c軸方向，即柱狀晶體生長方向，最終形成明顯的樹枝晶組織，從而影響凝固后鑄件性能的均勻性。鈦-鋁二元合金相圖，當Al含量在44. 8-49. 4 at %區間時，Y -TiAl合金凝固過程中將發生包晶反應丄+β — α。當Al含量位于44. 8-47.0%時，包晶反應不完全，凝固路線為L —L+β — β + α — α -α + γ-α2+γ ；當Al含量位于47. 0-49. 4%時，包晶反應不完全，凝固路線為L — L+β — L+α — α — α + γ — γ — α2+γ。當Al含量為47. 0% 時，包晶反應進行完全，凝固路線為L —L+β — a — α + Υ — Υ — α2+Υ。含包晶反應的鈦鋁合金凝固過程中，包晶反應發生在β相和液相界面處。包晶反應進行不完全時會一定程度上影響材料成分的均勻性。國內外經多年研究和測試，經過包晶反應的Y-TiAl合金可以在實際應用，但凝固后鑄件成分的均勻性較經β相凝固的Y-TiAl合金要差。當Al含量小于44. 8 at %，鈦鋁合金材料為β相凝固，凝固路線為 L-L+β — β — β + α — α — α + y — α 2+Υ。β相凝固具有最好的成分均勻性；β相凝固過程中，由于β晶體中可以形成12個完全不同方向的α變體，最終得到取向完全不同的板條團，凝固后組織各向異性很小，各部位力學性能基本一致。但當Al含量過低時，導致凝固后組織Ci2+Y中α 2相含量過高，影響材料的耐高溫性能。在γ-TiAl合金中添加適量的β穩定元素如Nb、Zr、Hf，可以使Ti-Al合金相圖中的β相區向右移動，從而實現 β相凝固。專利US6051084指出Nb可以極大地改善鈦鋁合金的抗氧化性能，提高合金的高溫強度及蠕變性能，當Nb含量為6 10%時合金均具有較好的抗氧化性能。中科院金屬所 R. Yang 教授等，在〈〈Alloy development and shell mould casting of gamma TiAl)) (Journal of materials processing technology [J], 2003, 135 :179-188)中石if 究了 2 at %Nb、5 at %Nb、8 at %Nb分別對Y-TiAl合金抗氧化性能和抗熱疲勞性能的影響，得出Nb 含量為5 at %時抗氧化性能、抗熱疲勞性能較8 at %Nb時更好；當Nb含量為2 at %時鈦鋁合金抗熱疲勞性能最好。專利US6^4132指出Ni可以提高β相的蠕變抗力、增加合金內部的摩擦和提高抗震性能；Si可以提高鈦鋁合金的高溫強度和蠕變強度，并可以提高合金的抗氧化性能。低Nb (通常為l_3at%Nb)鈦鋁合金材料的高溫蠕變性能和抗高溫氧化性能很差， 特別是當溫度在850°C -950°C長時間應用時材料表面氧化嚴重，因此，低Nb鈦鋁合金通常不適合制備在850-950°C高溫環境下長時間應用的零部件。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種高溫抗氧化蠕變性能優異適合鑄造的鈦鋁基合金，為新型低Nb鈦鋁合金材料，在原有低Nb鈦鋁合金材料的基礎上，通過大量試驗研究和數據分析，創新性地組合添加了 Mo、Si、C等合金元素，新材料在很多方面較目前國內外材料具有明顯的優勢。Mo、Si元素有利于提高材料的高溫抗氧化性能；同時Si、C有利于提高材料的高溫蠕變性能。本發明材料鑄造性能優異，適合應用于850-950°C高溫環境下長時間應用的零部件，如汽車發動機渦輪增壓器的渦輪轉子。在此溫度下鈦鋁材料表面通常無需進行化學處理、熱噴涂、離子注入等提高材料的抗氧化性能。為了實現解決上述技術問題的目的，本發明采用了如下技術方案
本發明的一種高溫抗氧化蠕變性能優異適合鑄造的鈦鋁基合金，屬于Y-TiAl合金，具體化學成分及原子百分比組成為A1 :44. (Γ48. 0 at%、Nb :1. 0 3. 0 at%、Mo 0. 1-3. 0at%、Si和C元素中的其中一種或兩種，其中Si :0-0.8 at%,C 0 -0.6 at%，而且Si 和C元素的總量為0. 1-0. 9 at%，其余為Ti及不可避免的雜質元素。更具體優選的，具體化學成分及原子百分比組成可以為
1) Ti-(44. 0 48· 0 ) Al- (1. 0 3· 0) Nb- (0. 1-3. 0) Mo- (0. 1-0. 8) Si ；
2)Ti-(44. 0 48· 0 )Α1_(1· 0 3· 0)Nb-(0. 1-3. 0)Μο_(0· 1-0. 6)C ；
3)Ti-(44. 0 48· 0 )Α1_(1· 0 3· 0)Nb-(0. 1-3. 0)Μο-(0. 1-0. 8) Si -(0. 1-0. 6)C，且 Si 和C元素的總量為0. 2-0. 9 at%。上述的耐高溫鈦鋁基合金，優選的化學成分質量百分比組成可以是A1可以優選 46. 0-48. 0 at%,更優選 47 at% ；Nb 優選 2. 0-3. 0 at%,更優選 2. 0 at% ；Mo 可以優選 1. 0 2. 0 at%，更優選 1. 0 at%。對于Ti-(44. 0 48· 0 ) Al- (1. 0 3· 0) Nb- (0. 1-3. 0) Mo- (0. 1-0. 8) Si 的合金，Si 可
4以優選0. 2-0. 6 at%,更優選0. 4 at%。對于Ti-(44. 0 48· 0 ) Al- (1. 0 3· 0) Nb- (0. 1-3. 0) Mo- (0. 1-0. 6) C, C 可以優選 0. 2-0. 5 at%,更優選 0. 3 at%。對于Ti- (44. 0 48· 0 ) Al— (1. 0 3· 0) Nb- (0. 1-3. 0) Mo- (0. 1-0. 8) Si - (0. 1-0. 6) C 合金，Si和C元素的總量為0. 4-0. 9 at%，Si可以優選0. 2-0. 6 at%，更優選0. 4 at% ；C可以優選0. 2-0. 5 at%,更優選0. 3 at%。這些技術方案，包括優選的各個元素質量百分比以及更優選的各個元素質量百分比也可以互相組合或者結合，從而達到更好的技術效果。通過添加適量的Mo有利于改善材料的抗氧化性能，同時提高室溫延伸率。當Mo 含量超過發明專利材料的上限時，會使材料的鑄造流動性能顯著降低、室溫延伸率惡化。添加適量的Si可以改善材料的鑄造流動性能，同時提高鈦鋁合金的蠕變強度和抗氧化性能，但當Si含量過高時材料的鑄造流動性能顯著降低，Si含量過低則對材料的鑄造流動性能提高不明顯。本專利材料打破了鈦、鈦合金及鈦鋁合金行業內將C元素視為雜質元素，不能作為合金元素的傳統觀念，通過實際反復測試，添加適量的C元素作為合金元素，可以顯著細化材料的層片間距，提高材料的抗高溫蠕變性能，提高材料的室溫、高溫強度和硬度。但當 C含量超過上限時，材料的鑄造流動性能顯著降低。本發明的鈦鋁材料均采用海綿鈦、純Al、AlNb50合金、AlMo60、AlSilO合金、純C
粉作為原料，在真空感應爐中熔煉并澆鑄渦輪模殼。澆鑄用鈦鋁鑄錠的熔煉方法為首先抽真空至3. 5Pa，對新型鈦鋁合金材料的原材料進行充氬熔煉，氬氣壓力為60000 Pa，全部熔化完成后繼續攪拌2分鐘，鈦鋁合金鑄錠反復熔煉2次。渦輪模殼的澆鑄工藝為預抽真空度3. 5Pa,鈦鋁鑄錠全部熔化完成后繼續攪拌 2分鐘后澆鑄渦輪模殼。通過采用上述技術方案，本發明具有以下的有益效果
本發明提供的一種鈦鋁基合金材料，該合金屬于Y-TiAl合金，既有良好的高溫性能， 又有良好的鑄造流動性，適合薄壁零件的鑄造，如汽車發動機渦輪增壓器的渦輪轉子。其長期使用溫度在850-950°C溫度，在此溫度下鈦鋁表面無需進行化學處理、熱噴涂、離子注入等提高材料的抗氧化性能。特別適合于鑄造使用溫度在900-950°C以下工作的汽油發動機增壓器渦輪轉子，具有巨大的市場前景。
具體實施例方式本發明的鈦鋁材料均采用海綿鈦、純Al、AlNb50合金、AlMo60、AlSilO合金、純C 粉作為原料，按實施例1-實施例9的成分及含量要求進行配料，在真空感應爐中熔煉并澆鑄渦輪模殼。澆鑄用鈦鋁鑄錠的熔煉方法為首先抽真空至3. 5Pa，對新型鈦鋁合金材料的原材料進行充氬熔煉，氬氣壓力為60000 Pa，全部熔化完成后繼續攪拌2分鐘，鈦鋁合金鑄錠反復熔煉2次。渦輪模殼的澆鑄工藝為預抽真空度3. 5Pii，鈦鋁鑄錠全部熔化完成后繼續攪拌2分鐘后澆鑄渦輪模殼。實施例1-實施例9的試驗結果如下表所示。
權利要求
1.一種高溫抗氧化蠕變性能優異適合鑄造的鈦鋁基合金，其特征是屬于Y-TiAl 合金，具體化學成分及原子百分比組成為A1 :44. (Γ48. 0 at%、Nb 1. (Γ3. 0 at%、Mo 0. 1-3. 0at%、Si和C元素中的其中一種或兩種，其中Si :0-0.8 at%,C 0 -0.6 at%，而且Si 和C元素的總量為0. 1-0. 9 at%，其余為Ti及不可避免的雜質元素。
2.根據權利要求1所述鈦鋁基合金，其特征是合金的原子百分比組成為 Ti-(44. 0 48· 0 ) Al- (1. 0 3· 0) Nb- (0. 1-3. 0) Mo- (0. 1-0. 8) Si。
3.根據權利要求1所述鈦鋁基合金，其特征是合金的原子百分比組成為 Ti-(44. 0 48· 0 )Α1-(1· 0 3· 0)Nb-(0. 1-3. 0)Mo-(0. 1-0. 6) C。
4.根據權利要求1所述鈦鋁基合金，其特征是合金的原子百分比組成為 Ti-(44. 0 48· 0 ) Al- (1. 0 3· 0) Nb- (0. 1-3. 0) Mo- (0. 1-0. 8) Si - (0. 1-0. 6) C,且 Si 和 C 總量為 0. 2-0. 9 at%。
5.根據權利要求2、3或4任一項所述鈦鋁基合金，其特征是合金的原子百分比組成為A1 為 46. 0-48. 0 at% ；Nb 為 2. 0-3. 0 at% ；Mo 為 1. 0 2. 0 at%。
6.根據權利要求2所述鈦鋁基合金，其特征是合金的原子百分比組成為Si為 0. 2-0. 6 at%。
7.根據權利要求3所述鈦鋁基合金，其特征是合金的原子百分比組成為C為 0. 2-0. 5 at%。
8.根據權利要求4所述鈦鋁基合金，其特征是合金的原子百分比組成為Si為 0. 2-0. 6 at%, C 為 0. 2-0. 5 at%。
9.根據權利要求8所述鈦鋁基合金，其特征是合金的原子百分比組成為，Si為0.4 at%, C 為 0. 3 at%。
全文摘要
本發明介紹了一種高溫抗氧化蠕變性能優異適合鑄造的鈦鋁基合金，屬于γ-TiAl合金，組成為Al44.0~48.0at%、Nb1.0~3.0at%、Mo0.1-3.0at%、Si和C的一種或兩種，其中Si0-0.8at%，C0-0.6at%，且Si和C總量為0.1-0.9at%，其余為Ti及雜質元素。本發明的鈦鋁基合金既有良好的高溫性能，又有良好的鑄造流動性，適合薄壁零件的鑄造；在850-950℃溫度下表面無需進行化學處理、熱噴涂、離子注入等提高材料的抗氧化性能；特別適合于鑄造在900-950℃以下工作的汽油發動機增壓器渦輪轉子。
文檔編號C22C14/00GK102268568SQ20111021946
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月2日 優先權日2011年8月2日
發明者劉國良, 包淑娟, 吳勝男, 周洪強, 王孟光, 陳志強 申請人:洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司