[发明专利]一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物

说明书

本发明公开了一种多组元高合金化高Nb‑TiAl金属间化合物，属于金属材料。该金属间化合物的摩尔百分含量:40～50％的Al、4～12％的Nb、0～15％的(W,Ta,Mo，Co)、0～4.5％的(Ni,Fe,Hf，Zr)、0～4％的(V,Cr,Mn)、0～2％的B、0～3％的(C,Si)、0～3％的稀土元素和余量的Ti及不可避免的杂质，合金组元数量不低于6类，本发明得到的铸造、增材制造用新型高Nb‑TiAl合金材料具有优异的高温强度、蠕变抗力及抗氧化性能，且铸造和增材制造工艺性能良好，可采用该高Nb‑TiAl合金大规模生产850℃以上服役精铸件和增材制造构件，也可用于制备高温服役用热变形高Nb‑TiAl合金构件，具有推广价值。

技术领域：

本发明涉及一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物，尤其涉及一种多种微量元素的适用于铸造、增材制造成形的新型多组元高合金化高Nb-TiAl合金材料属于高温合金技术领域。

背景技术：

TiAl金属间化合物具有密度低、比强度和比弹性模量高，且具有良好的抗蠕变及抗氧化能力，是新一代航空、航天飞行器用最具潜力的轻质、高强高温结构材料，然而目前TiAl合金服役温度难以超过800℃，因此无法应用于更高工作温度和高温强度的构件上。研究表明，在TiAl合金中添加Nb合金元素，可进一步提高TiAl合金的高温强度、抗蠕变及抗氧化的能力，使高Nb-TiAl合金成为最具应用前景的高温结构材料。

在TiAl合金中添加Nb元素，大幅度提高了合金的抗氧化性、抗蠕变性能和有序化温度，服役温度从650℃提高至850℃。同时，Ti原子受到Nb原子排斥引起γ相固溶强化，而且片层间距和晶粒细化，高温强度显著高于传统TiAl合金。近几年的研究表明，当Nb含量高于5at.％时，强化效果最明显，最终发展出高Nb-TiAl合金体系。为进一步提高Ti-Al-Nb三元系合金高温强度、塑性和高温抗氧化性能等，推动合金的工程化应用，研究者们提出了多组元合金化的方法。

研究表明少量的Co、Fe、Mn、V、Cr等元素可提高合金塑性、Nb、Mo、Ta、稀土元素等课题提高合金抗蠕变性能、固溶强化、室高温强度等，Mo、W、Hf可明显提高组织稳定性，Fe、Ni、Si元素可明显提高合金铸造性能，C、B、Si元素具有细化晶粒、高温强化作用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种通过添加多组元元素提高高Nb-TiAl合金高温力学性能、抗氧化性能及铸造性能、增材制造工艺性能优异的高Nb-TiAl金属间化合物。

本发明所要解决的技术问题是：首先，目前研发出的高Nb-TiAl合金成分体系大多适用于挤压、锻造等变形工艺，无法满足复杂构件对铸造、增材制造用高Nb-TiAl合金铸造性能和力学性能要求；其次，高Nb-TiAl合金塑性低热加工性能差，材料利用率低成本高，限制了其大规模工程化应用；再者，目前实验室阶段铸造高Nb-TiAl合金强度、塑性低于变形合金，且铸造成形方法难以通过热变形方法破碎粗大凝固组织，细化晶粒提高力学性能，因此多组元高合金化是提高铸造、增材制造合金力学性能最有效、易实现的方法之一。因此，多组元高合金化是铸造、增材制造用高Nb-TiAl合金重要发展方向。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物，其特征在于，高Nb-TiAl合金中Al含量为40-50at.％，Nb含量为4-12at.％，W、Ta、Mo、Co单个或任意组合含量为0-15at.％；Ni、Fe、Hf、Zr单个或任意组合含量为0-4.5at.％；V、Cr、Mn单个或任意组合含量为0-4at.％，B含量0-2at.％；C、Si单个或任意组合含量0-3at.％，稀土元素0-3at.％，余量为Ti。

所述高Nb-TiAl合金中Al含量为44-50at.％，Nb含量为5-9at.％，W含量为0.1-2at.％，Mo含量为0.5-1.5at.％，Zr含量为0-2at.％，V含量为0-2at.％，B含量为0.1-0.5at.％，Si含量为0.05-0.5at.％，稀土元素含量0-1.5at.％。