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CN1142305C - 一种高温高性能高铌钛铝合金 - Google Patents

一种高温高性能高铌钛铝合金 Download PDF

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CN1142305C CNB011346299A CN01134629A CN1142305C CN 1142305 C CN1142305 C CN 1142305C CN B011346299 A CNB011346299 A CN B011346299A CN 01134629 A CN01134629 A CN 01134629A CN 1142305 C CN1142305 C CN 1142305C
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Abstract

本发明提供了一种高铌钛铝合金，由Ti、Al、Nb、C、W、Y组成，其特征在于：Al含量为45-46%，Nb含量为8-10%，C含量为0-0.2%，W含量为0-0.2%、Y含量为0-0.1%，元素组分中的C和Y的含量不同时为0，以上均为原子百分比，余量为Ti；合金的组织由γ和α2两个有序相组成，在变形合金和铸造合金中得到均匀的细晶全片层组织，晶粒100-150μm，片间距0.3-0.4μm。其优点在于：高铌TiAl合金的使用温可达到840-900℃。

Description

一种高温高性能高铌钛铝合金
技术领域
本发明属提供了于一种高温高性能高铌钛铝合金，属于高温合金技术领域。
背景技术
TiAl合金已公认是最有发展潜力的金属间化合物结构材料。现已发展出的TiAl成分范围大致是，Ti-45/48Al-0/2M-0/5X-0/2Z(M＝Cr、Mn、V，X＝Nb、Ta、W，Z＝Si、B、C、N)，M类合金元素有利于塑性和再结晶，Nb、Ta是主要的固溶强化元素，少量的W和Sn也有类似作用，而Si、B、N、C则析出第二相Ti5Si3、TixAlC等起强化作用，B起细化晶粒作用，但可能增大片间距。目前铸造合金已经进入实际应用阶段，其典型代表是Ti-47/48Al-2Nb-2Cr(GE公司)，Ti-47Al-2W-0.5Si(ABB公司)和Ti-45/47Al-2Nb-2Mn+0.8Vol％TiB2(Howmet)。文献C.M.Austin and T.J.Kelly，in Proc.of  Gamma Titanium Aluminides，ed.Y-W Kim，et al.，TMS，1995，21，提供了一般TiAl合金的制备和性能。文献Y-W.Kim and D.M.Dimiduk， Structural Intermetallics ed.M.V.Nathal et al.，1997，531.提供了TiAl合金的强化机理。文献提供了J.D.H.Paul，F.Appel and R.Wagner，Acta Meter.46(1998)，1075，提供了高Nb-TiAl中Nb的强化机制。
据美国NASA在1999年第二届TiAl合金国际会议报导，已进入应用阶段铸造合金的典型性能见表1：
表1 已进入应用阶段铸造合金的典型性能
拉伸          Ti-47Al-2Nb-2Cr(GE)     Ti-45Al-2Nb-2Mn+0.8Vol％TiB2(Howmet)性能          (晶粒400-600μm)        (晶粒100-150μm)
σY(MPa)       275-380                400-600σB(MPa)       360-500                485-720δ％            1-3                     0.5-1.5KIC(MPa√m)    22                      17
目前正在研究发展的变形TiAl合金有Ti-46Al-4Nb-1W，Alloy K5(Ti-46.5Al-2Cr-3Nb-0.2W)等。经锻造及热处理后这些合金的室温屈服强度水平在400-600 MPa，延伸率为1-3左右，在500-750C具有好的高温强度。K5合金RFL组织的典型性能为：σY 473 MPa，σB 557 MPa，δ％1.2。经一种特殊的热机械处理得到的全片层组织(TMPL)，提高了室温屈服强度σY 775 MPa。近来K5合金进一步用C、Si、B、O强化，得到K5SC(0.2Si、0.1C)，KDCBS(0.1 Si、0.1B、0.2C)，K5S(0.2 Si、0.15 O)等。
国外研究过一种高强度的粉末TiAl合金，成分同GE合金，把晶粒和片间距搞的很细小(片间距0.1微米以下)，得到1000MPa的强度，但其高温组织稳定性不足。
高铌钛铝合金的研究90后开始在国内开的国际会议上发表，特别是91年和92年二次在美国国际会议上作了系统的介绍有较大影响。95年第一届国际钛铝金属间化合物合金会议主席美国Y-M Kim博士在大会报告中指出：我们的高铌TiAl合金是发展高温高性能TiAl合金研究方向的“首例”，并且提出这是非常值得进行的工作。特邀在99年2月第二届国际钛铝金属间化合物合金会议做高铌TiAl合金特邀报告。2001年美国正式立项研究高温TiAl合金标志着TiAl合金正式分为两个档次，普通TiAl合金和高温TiAl合金，后者的使用温度可提高50-100℃。
国内有研究发展的TiAl合金，大多基本上与国外普通TiAl合金相似，有的在成分上略有不同，其力学特性也无根本区别，均属于普通TiAl合金一类。我们研究的高铌TiAl合金是属于高温高性能TiAl合金一类。其成分、强度性能和抗氧化性等特性完全不同于普通TiAl合金，使用温度提高了60-100℃。我们的这项研究推动了国内外高温高性能TiAl合金的研究发展。
本发明的目的在于提高普通TiAl合金的使用温度，即提高普通TiAl合金强度性能和抗氧化性，使高铌TiAl合金能在840-900℃下使用。
发明内容：
本发明的化学成分为Ti-Al-Nb-X，具体成分见表2：
该合金的组织由γ和α2两个有序相组成。细晶全片层组织具有最佳综合性能。在变形合金和铸造合金中都可以很好得到均匀的细晶全片层(FL)组织，晶粒(片层团大小)100-150μm，片间距0.3-0.4μm。此外，还可以得到近全片层组织(NFL)，双态组织(DP)，近γ组织(NG)。
表2  高铌TiAl合金的化学成分(原子分数，％)
元素 Ti Al Nb                  X
    W     C     Y
  成分   其它   45-46   8-10   0-0.2   0-0.2   0-0.1
表2中的其中元素组分中的C和Y的含量不同时为0。
本发明的优点在于：高铌TiAl合金的使用温可达到840-900℃。
高铌钛铝合金的拉伸性能与典型TiAl合金的对比见表3，其拉伸强度远高于其他TiAl合金，高铌TiAl合金具有显著的比强度优越性。
表2  高铌钛铝合金的拉伸性能与典型TiAl合金的对比
合金 度(℃) YS(MPa) UTS(MPa) EL(％)
Ti45Al10NbFFL  25  992  1101  0.76
 760  692  839  1.86
 815  641  803  5.71
 900  563  738  15.9
Ti46A18.5Nb0.2WFFL  25  828  856  1.06
 600  764  837  2.24
 760  655  795  3.56
 815  632  743  4.14
 871  547  664  9.4
K5合金RFL/TMPL  25  473  557  1.2
 600  408  525  1.7
 800  385  510  8.1
 900  340  418  19
GE合金FL  25  454  /  0.5
 760  405  /  3
 870  350  /  19
XD合金FL  25  550-590  670-720  1.5
 600  440  650  /
 760  415  510  19
Ti47Al1.5Cr0.5V2.3Nb，FL  25  508～280  588～300  1.2～0.5
高铌TiAl合金具有非常好的抗氧化性。我们早在1992年就在CORROSION杂志上首次指出铌能显著提高抗氧化性，并做了900℃-1200℃四个温度下的成分—抗氧化性图，指出在Ti-Al-Nb三元系中，具有最佳抗氧化性的合金成分范围可以描述为：Al＝55-64 at％，Ti/Nb＝2-5。它们在1100℃和1200℃，100小时的氧化增重分别为1-2mg/cm2和2-3mg/cm2水平。而TiAl在1100℃，100小时的增重就已达到120mg/cm2。
具体实施方式1合金成分Ti-46Al-8.5Nb-0.2W-0.15C-0.2B(原子分数)。
该合金具有优异的高温性能。表4是高铌钛铝合金蠕变性能与其他TiAl合金的对比。高铌钛铝合金的蠕变速率比K5合金低1～2个数量级，蠕变应力比4822(GE)合金高40-150 MPa，使用温度比GKSS和K5合金高60℃以上。
表4  高铌合金与其它先进合金的全片层组织蠕变性能对比
 合金成分  T(℃) σMPa ε％   t(h)   èm(s-1)
 46Al8.5Nb-0.15C0.2B  760815  142142  0.1-  315.4-  1.8×10-108.47×10-9
 47Al2Cr2Nb  760  276  -  -  1×10-8
 48Al2Cr2Nb  760  105  0.5  800  1.11×10-10
 45Al2Mn2Nb-0.8TiB2  650  276  0.5  143.5  -
 46.5Al2Cr3-Nb0.2W  760  138  0.5  421  2.77×10-9
 800  138  0.5  23  1.05×10-8
 48Al2W  760  276  -  -  1.97×10-8
 GKSS  700  150  1×10-10
2合金成分Ti-45Al-10Nb(原子分数)。
表5  Ti-45Al-10Nb(原子分数)合金的蠕变性能
合金成分 组织 T(℃)/σ(MPa)/em(s-1)
45Al10Nb  NL～60μm  760/210/5.6E-9815/210/2.788E-7
该合金具有优异的高温性能。表5是高铌钛铝合金蠕变性能。

Claims (1)

1、一种高铌钛铝合金，由Ti、Al、Nb、C、W、Y组成，其特征在于：Al含量为45——46％，Nb含量为8——10％，C含量为0——0.2％，W含量为0——0.2％、Y含量为0——0.1％，以上均为原子百分比，余量为Ti，其中C和Y的含量不同时为0；合金的组织由γ和α2两个有序相组成，在变形合金和铸造合金中得到均匀的细晶全片层组织，晶粒100-150μm，片间距0.3-0.4μm。
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