[发明专利]一种高温蠕变性能及铸造性能优异的钛铝基合金

说明书

 

技术领域

     本发明涉及一种高温合金领域技术，特别是一种高温蠕变性能及铸造性能优异的钛铝基合金。

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。

从钛铝二元相图分析，当Al含量高于51at%时，钛铝合金铸造过程中凝固路线为γ相凝固，凝固后的钛铝合金处于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两相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。

早期在钛铝合金制备过程中α相凝固路线研究很多。钛铝二元相图显示，当Al含量高于49.4 at%，低于51at%时，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）→L+α→α→α+γ→γ→α₂+γ，室温下组织为α₂+γ。凝固过程中L相冷却时首先生成固相α， α晶体将择优沿其c轴生成，从而形成明显的柱状晶体特征，而后续形成的γ片层垂直于α相c轴方向，即柱状晶体生长方向，最终形成明显的树枝晶组织，从而影响凝固后铸件性能的均匀性。

钛-铝二元合金相图，当Al含量在44.8-49.4 at %区间时，γ-TiAl合金凝固过程中将发生包晶反应：L+β→α。当Al含量位于44.8-47.0%时，包晶反应不完全，凝固路线为：L→L+β→β+α→α→α+γ→α₂+γ；当Al含量位于47.0-49.4%时，包晶反应不完全，凝固路线为：L→L+β→L+α→α→α+γ→γ→α₂+γ。当Al含量为47.0%时，包晶反应进行完全，凝固路线为：L→L+β→α→α+γ→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。包晶反应进行不完全时会一定程度上影响材料成分的均匀性。国内外经多年研究和测试，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。

当Al含量小于44.8 at %，钛铝合金材料为β相凝固，凝固路线为：L→L+β→β→β+α→α→α+γ→α₂+γ。β相凝固具有最好的成分均匀性；β相凝固过程中，由于β晶体中可以形成12个完全不同方向的α变体，最终得到取向完全不同的板条团，凝固后组织各向异性很小，各部位力学性能基本一致。但当Al含量过低时，导致凝固后组织α₂+γ中α₂相含量过高，影响材料的耐高温性能。在γ-TiAl合金中添加适量的β稳定元素如Nb、Zr、Hf，可以使Ti-Al合金相图中的β相区向右移动，从而实现β相凝固。

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2 at %Nb、5 at %Nb、8 at %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5 at %时抗氧化性能、抗热疲劳性能较8 at %Nb时更好；当Nb含量为2 at %时钛铝合金抗热疲劳性能最好。

专利US6294132指出Ni可以增加合金内部的摩擦和提高抗震性能；Si可以提高钛铝合金的高温强度和蠕变强度，并可以提高合金的抗氧化性能。