[发明专利]铸态强韧Ti3Al金属间化合物及其制造方法和应用

说明书

本发明属于Ti‑Al金属间化合物领域，具体涉及到一种新型铸态强韧Ti₃Al金属间化合物其制造方法和应用，包括合金成分、冶炼、精密铸造和热处理等组成要素。合金成分(重量百分比)为Al:10.2％～11.8％，Nb:26.0％～29.0％，Mo:1.0％～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素为Fe、Si、O、N、H，Fe≤0.3％，Si≤0.3％，O≤0.15％，N≤0.04％，H≤0.01％。从而，通过成分优化和热处理工艺组合，可获得拉伸强度与塑性、疲劳强度与热稳定性的不同匹配，可用制作先进航空发动机高温部位的精密铸件，在600～700℃范围内长时使用；该合金也可用于制作航天飞行器耐高温结构件，在650℃～750℃范围内短时使用。

技术领域

本发明属于Ti-Al金属间化合物领域，具体涉及到一种在600℃～700℃下长时使用(≥500小时)或在650℃～750℃范围内短时使用的新型铸态强韧Ti₃Al金属间化合物其制造方法和应用。

背景技术

为了提高航空发动机的推重比，需要重点突破发动机部件的气动设计、结构设计、材料、工艺等方面的关键技术，减轻发动机结构重量的主要途径之一是尽可能多的采用轻质材料，但是目前变形钛合金最高使用温度为600℃，铸造钛合金最高使用温度仅为500℃，使用温度限制了钛合金使用范围的扩大。Ti₃Al合金密度较低(小于5g/cm³)、比强度和比刚度较高，工作温度可达650℃，以Ti₃Al 基合金代替高温合金合金，并采用精密铸造的工艺路线制备复杂形状高温部件可以从重量和结构上同时减轻航空发动机重量，实现航空发动机验证机高推重比的技术指标，具有十分重要的现实意义。

目前，航空发动机高温构件主要采用工艺性能优异的GH4169合金制备。然而GH4169合金的密度大，不能满足高推重比发动机对减重的要求。Ti₃Al合金是一种新材料，经近二十年的研发，变形Ti₃Al合金已接近实用化程度，而铸造Ti₃Al 合金的研究起步较晚。

Ti₃Al金属间化合物因密度低，可望拓展钛合金的使用温度，因此在20世纪 70年代即受到美欧和前苏联等国的普遍重视。经近二十几年的研究，在合金研制方面，合金的塑性得到了明显改善，先后发展了Ti-24Al-11Nb(at.％)、Ti-25Al-10Nb -3V-1Mo、Ti-25Al-17Nb-1Mo、Ti-24.5Al-12.5Nb-1.5Mo等Ti₃Al基合金。在成型工艺方面，已制备出合金的棒材、饼材、板材和箔材等工业半成品，并用其制作了高压压气机机匣、高压涡轮静止支撑环等。在应用考核方面，高压压气机匣成功地试车了65小时，高压涡轮静止支撑环也在GE29发动机上成功地经受了试车考核，而加力燃烧室喷口密封片在F100和F404发动机进行了运转试验。

在国内，自80年代中期以来，在国家“863”计划和国家军品配套项目的支持下，在Ti₃Al合金研制、热加工工艺和构件成型等方面均取得长足的进展，目前已接近实用化程度。国内在Ti-24Al-10Nb-3V-1Mo合金的基础上，研制出具有优异综合性能和自主知识产权的Ti₃Al合金；研发出适于Ti₃Al合金大尺寸铸锭真空自耗熔炼技术，建立了相应的技术装备，具备了熔炼大尺寸Ti₃Al合金铸锭的能力，研发出了适于Ti₃Al合金大尺寸铸锭开坯和锻造、环材轧制、板材轧制和构件热模锻造等技术，成功制备出先进航空发动机用Ti₃Al合金级间封严环构件，模锻出先进航空发动机用Ti₃Al合金锻件，轧制出Ti₃Al合金薄板材和厚度分别为 0.7mm、0.5mm和0.1mm的箔材，其中0.5mm厚的Ti₃Al基合金箔材已用于丰田和印度力量一级方程式赛车发动机排气系统。

发明内容