[发明专利]一种铸造性能优异的耐高温钛铝基合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温合金领域技术，特别是一种铸造性能优异的耐高温钛铝基合金及其制备方法。

背景技术

随着航空、航天、汽车、舰船等发动机性能不断提高，对高温材料的性能提出了更高的要求，即更高的强度、抗氧化性能和更轻的密度等。γ-TiAl基合金材料具有良好的高温强度、蠕变抗力和抗氧化性能等优点，正在发展成为新一代航空发动机材料，可用于制造压气机、燃气涡轮机叶片，压气机定子挡风板，定子机座以及其他形状复杂的大尺寸铸造和锻造零件，以部分替代笨重的镍基高温合金可减重约50％。γ-TiAl基合金已用于制造汽车发动机的涡轮增压器、气阀等。目前，中国和世界各工业国家都在积极地开展研究，但已经实际应用的合金种类很少。

从钛铝合金材料的理论研究来看：当钛铝合金铸造过程中凝固路线为γ相凝固时，凝固后的钛铝合金多处于γ单相区，单相γ-TiAl的室温延伸率非常差，原因是单相γ-TiAl室温下很多位错不可动，而主要的滑移位错又被层错偶极子钉扎。而α₂+γ组织在延伸率和强度上明显优于单相γ-TiAl，原因是α₂吸收氧，从而降低了γ中的氧含量，利于位错滑移。

目前为止钛铝合金制备过程中α相凝固路线研究最多，其中Al％研究最多的是46-47at％。Ti-(46-47at％)Al钛铝合金材料的凝固路线为α相凝固，α相凝固路线如下：L(液相)→α相→α+γ→α₂+γ，室温下组织为α₂+γ。凝固过程中L相冷却时首先生成的α晶体形成明显的柱状晶组织，而后续形成的γ片层垂直于α相的柱状晶生长的方向，导致铸态组织具有明显的各向异性，铸件各部位性能差异明显。

为了解决α相凝固时钛铝合金的组织均匀性和性能较差的问题，可以在上述Al含量的γ-TiAl合金中添加适量的β稳定元素如Nb、Zr、Hf等，使Ti-Al合金相图中的β相区向右移动，实现β相凝固；或者调整Al含量的取值范围，使γ-TiAl合金中Al含量约为44at％或以下，以实现β相凝固，但如果Al含量过低则粗大的β相增加导致塑性很差。β相凝固路线如下：L(液相)→L+β→β→α+β→α→α+γ→α₂+γ，室温下组织为α₂+γ，如Ti-44Al-0.2B合金。但当γ-TiAl合金中含有一定含量的β稳定元素时，β相凝固路线为：L(液相)→L+β→β→α+β→α+βm→α+γ+βm→α₂+γ+βm，室温下组织为α₂+γ+βm(βm为亚稳β相)，如Ti-44Al-5Nb-0.2B合金。β相凝固过程中，由于β晶粒中可以形成12个完全不同方向的α变体，最终在每个β晶粒中得到取向完全不同的板条团，该组织各向异性很小，各部位力学性能基本一致。

在钛-铝二元合金相图上，当Al含量高于44at％左右时，γ-TiAl合金凝固过程中将发生包晶反应L+β→α，凝固路线为：L(液相)→L+β→β+α→α→α+γ→α₂+γ或L→L+β→L+α→α→α+γ→α₂+γ。含包晶反应的钛铝合金凝固过程中，包晶反应发生在β相和液相界面处，当α相从液相处开始形核，如前所述将使铸态组织具有明显的各向异性；当α相从β相处开始形核，将得到取向完全不同的较粗大板条团，该组织各向异性很小。经国内外多年研究和测试，经过包晶反应的γ-TiAl合金可以在实际应用，但凝固后铸件成分的均匀性较经β相凝固的γ-TiAl合金要差。

专利US6051084指出Nb可以极大地改善钛铝合金的抗氧化性能，提高合金的高温强度及蠕变性能，当Nb含量为6～10％时合金均具有较好的抗氧化性能。

中科院金属所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)中研究了2at％Nb、5at％Nb、8at％Nb分别对γ-TiAl合金抗氧化性能和抗热疲劳性能的影响，得出Nb含量为5at％时抗氧化性能、抗热疲劳性能较8at％Nb时更好；当Nb含量为2at％时钛铝合金抗热疲劳性能最好。