專利名稱：一種高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫合金領(lǐng)域技術(shù)，特別是一種高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金。
背景技術(shù)：
隨著航空、航天、汽車、艦船等發(fā)動機(jī)性能不斷提高，對高溫材料的性能提出了更高的要求，即更高的強(qiáng)度、抗氧化性能和更輕的密度等。Y-TiAl基合金材料具有良好的高溫強(qiáng)度、蠕變抗力和抗氧化性能等優(yōu)點，正在發(fā)展成為新一代航空發(fā)動機(jī)材料，可用于制造壓氣機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片，壓氣機(jī)定子擋風(fēng)板，定子機(jī)座以及其他形狀復(fù)雜的大尺寸鑄造和鍛造零件，以部分替代笨重的鎳基高溫合金，可減重約50%。Y-TiAl基合金已用于制造汽車發(fā)動機(jī)的渦輪增壓器、氣閥等。目前，中國和世界各工業(yè)國家都在積極地開展研究，但已經(jīng)實際應(yīng)用的合金種類很少。從鈦鋁二元相圖分析，當(dāng)Al含量高于51at%時，鈦鋁合金鑄造過程中凝固路線為 Y相凝固，凝固后的鈦鋁合金處于Y單相區(qū)。單相Y-TiAl的室溫延伸率非常差，原因是單相Y-TiAl室溫下很多位錯不可動，而主要的滑移位錯又被層錯偶極子釘扎。而α2+γ 兩相組織在延伸率和強(qiáng)度上明顯優(yōu)于單相Y-TiAl，原因是Ci2吸收氧，從而降低了 γ中的氧含量，利于位錯滑移。早期在鈦鋁合金制備過程中α相凝固路線研究很多。鈦鋁二元相圖顯示，當(dāng)Al 含量高于49. 4 at%，低于51at%時，鈦鋁合金材料的凝固路線為α相凝固，α相凝固路線如下丄(液相)-L+a-a-a + y- y- a2+y,室溫下組織為a 2+ Y。凝固過程中 L相冷卻時首先生成固相α，α晶體將擇優(yōu)沿其c軸生成，從而形成明顯的柱狀晶體特征， 而后續(xù)形成的Y片層垂直于α相c軸方向(即柱狀晶體生長方向)，最終形成明顯的樹枝晶組織，從而影響凝固后鑄件性能的均勻性。鈦-鋁二元合金相圖，當(dāng)Al含量在44. 8-49. 4 at %區(qū)間時，Y -TiAl合金凝固過程中將發(fā)生包晶反應(yīng)丄+β — α。當(dāng)Al含量位于44. 8-47.0%時，包晶反應(yīng)不完全，凝固路線為L —L+β — β + α — α -α + γ-α2+γ ；當(dāng)Al含量位于47. 0-49. 4%時，包晶反應(yīng)不完全，凝固路線為L — L+β — L+α — α — α + γ — γ — α2+γ。當(dāng)Al含量為47. 0% 時，包晶反應(yīng)進(jìn)行完全，凝固路線為L —L+β — a — α + Υ — Υ — α2+Υ。含包晶反應(yīng)的鈦鋁合金凝固過程中，包晶反應(yīng)發(fā)生在β相和液相界面處。包晶反應(yīng)進(jìn)行不完全時會一定程度上影響材料成分的均勻性。國內(nèi)外經(jīng)多年研究和測試，經(jīng)過包晶反應(yīng)的Y-TiAl合金可以在實際應(yīng)用，但凝固后鑄件成分的均勻性較經(jīng)β相凝固的Y-TiAl合金要差。當(dāng)Al含量小于44. 8at%,鈦鋁合金材料為β相凝固，凝固路線為 L-L+β — β — β + α — α — α + y — α 2+Υ。β相凝固具有最好的成分均勻性；β相凝固過程中，由于β晶體中可以形成12個完全不同方向的α變體，最終得到取向完全不同的板條團(tuán)，凝固后組織各向異性很小，各部位力學(xué)性能基本一致。但當(dāng)Al含量過低時，導(dǎo)致凝固后組織Ci2+Y中α 2相含量過高，影響材料的耐高溫性能。在γ-TiAl合金中添加適量的β穩(wěn)定元素如Nb、Zr、Hf，可以使Ti-Al合金相圖中的β相區(qū)向右移動，從而實現(xiàn) β相凝固。鈦鋁合金材料開發(fā)方面，早在80年代初期，日本NAT RES INST METALS公司就開始開發(fā)鈦鋁合金材料，并成功申請了專利保護(hù)，專利公開號為JP58123847，該鈦鋁基材料含有0. 5-50wt% Ag，不含有改善高溫性能的主要元素Nb。從80年代初期至今，國內(nèi)外先后開發(fā)了幾十種不含Nb元素的鈦鋁合金材料。這類鈦鋁合金材料的主要研究單位是日本，有 DAIDO STEEL CO LTD、NIPPON STEEL CORP等七余家主要公司。這類鈦鋁材料未包含一定含量的可以顯著改善高溫抗氧化和蠕變性能的元素(如Nb元素)，因此長期使用的工作溫度偏低，約為800°C左右。截止目前，這類材料中未見具體的實際工程批量應(yīng)用的鈦鋁合金。從材料的使用溫度分析，以上鈦鋁合金專利材料適合于在柴油發(fā)動機(jī)上進(jìn)行推廣應(yīng)用，因為柴油機(jī)的工作溫度較低(通常< 800°C)。但由于柴油機(jī)對鈦鋁材料零部件的需求并不迫切，且絕大部分鈦鋁合金材料不適合于鑄造等，因而限制了國內(nèi)外該類材料的推廣應(yīng)用。具有更大批量的汽油發(fā)動機(jī)需求鈦鋁材料零部件(如渦輪部件)來改善發(fā)動機(jī)的加速性能，大部分汽油機(jī)長期使用條件下的工作溫度為900°C，但該類材料難以滿足汽油發(fā)動機(jī)的使用要求。雖然當(dāng)今出現(xiàn)了較多的添加Nb元素的鈦鋁基合金，提高了材料的長期使用溫度，但由于添加Nb元素會顯著降低材料的鑄造性能，使流動性本來就非常差的鈦鋁合金材料的鑄造性能進(jìn)一步惡化，難以成型薄壁鈦鋁鑄件；同時大幅增加Nb元素價格昂貴，會顯著增加材料的成本。國內(nèi)在未添加Nb元素的鈦鋁合金材料的研究單位有北京鋼鐵研究總院和東北大學(xué)，研發(fā)的材料較單一。東北大學(xué)材料專利材料11-(48-5 Al-(34)Cr-(2-3)Ag-(0. 001 0. 03)8，專利公開號0附546704，未見工程化測試的報道。北鋼院研發(fā)的主要材料為 Ti--(30-34wt%)Al—(l· 0-6. 0wt%)Cr— (1. 0-6. 0wt%)V— (0· 001-0. 5wt%)Mg 材料，目前研究及測試最多的成分為Ti-46. 5Al-lCr-2. 5V (at%)合金(命名為TAC-2)，經(jīng)柴油發(fā)動機(jī)裝機(jī)測試，該材料可在800°C下長期使用，材料的鑄態(tài)和變形組織均具有良好的室溫和高溫綜合力學(xué)性能，不足的是該材料的高溫抗氧化性能和抗蠕變性能較差，難以在850-900°C 下長期使用。TAC-2材料含有較多的V元素(2. fet%)，V元素的增加會使材料高溫抗氧化性能和蠕變性能有所降低，而且V元素價格昂貴，會較大幅度增加了材料的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金，性能更加優(yōu)越，且適合于工程化大批量，適合于制備在850-900°C下可以長期使用的鈦鋁零部件材料。為了實現(xiàn)解決上述技術(shù)問題的目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
本發(fā)明的一種高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金，具體化學(xué)成分的原子百分比組成為Ti-(44. 0^48.0 ) Al-(0.5 2.0) Cr-(0.5-2. 0) V-(0. 1-0. 7) C，其余為不可避免的雜質(zhì)元素。所述的高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金，優(yōu)選的化學(xué)成分原子百分比組成為:A1優(yōu)選45. 0-47. 0 at% ；Cr優(yōu)選0. 5-1. 5 at% ；V可以優(yōu)選1. 0-2. 0 at% ；C優(yōu)選 0. 2-0. 6 at%。
所述的高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金，進(jìn)一步優(yōu)選的化學(xué)成分原子百分比組成為A1優(yōu)選46 at% ；Cr優(yōu)選1. 0 at% ；V優(yōu)選1. 5 at% ；C優(yōu)選0. 3 at%。本專利材料在現(xiàn)有Ti-46. 5Al-lCr-2. 5V合金(TAC-2)材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，添加了一定含量的C元素，同時降低了材料中的V含量，材料體系發(fā)生了根本的變化，由之前四元鈦鋁合金變?yōu)樾碌奈逶佷X合金。本專利材料打破了鈦、鈦合金及鈦鋁合金行業(yè)內(nèi)將C元素視為雜質(zhì)元素，不能作為合金元素的傳統(tǒng)觀念，通過實際反復(fù)測試，添加適量的C元素作為合金元素，可以顯著細(xì)化材料的層片間距，提高材料的抗高溫蠕變性能，提高材料的室溫、高溫強(qiáng)度和硬度。通過降低V含量，材料的高溫抗氧化性能會較TAC-2材料得以提高；同時降低V含量有利于降低材料成本。當(dāng)Cr元素含量低于下限時，對提高材料的室溫塑性效果不明顯，當(dāng)含量高于上限時，對材料的鑄造流動性能有較大的影響。V元素含量低于下限時，不利于材料強(qiáng)度的提高， 當(dāng)含量高于上限時，會降低材料高溫抗氧化性能和進(jìn)一步提高材料的成本。C含量低于下限時，顯微結(jié)構(gòu)中的層片細(xì)化作用不明顯，起不到提高高溫蠕變性能和提高強(qiáng)度的作用，當(dāng)含量高于上限時，會明顯降低材料的鑄造性能。這些技術(shù)方案，包括優(yōu)選的各個元素原子百分比以及更優(yōu)選的各個元素原子百分比也可以互相組合或者結(jié)合，從而達(dá)到更好的技術(shù)效果。本發(fā)明的鈦鋁材料均采用海綿鈦、純Al、AlCr50合金、A1V55合金、純C粉作為原料，在真空感應(yīng)爐中熔煉并澆鑄渦輪模殼。澆鑄用鈦鋁鑄錠的熔煉方法為首先抽真空至 3. 5Pa，對合金材料的原材料進(jìn)行充氬熔煉，氬氣壓力為60000 Pa，全部熔化完成后繼續(xù)攪拌2分鐘，鈦鋁合金鑄錠反復(fù)熔煉2次。渦輪模殼的澆鑄工藝為預(yù)抽真空度3. 5Pa,鈦鋁鑄錠全部熔化完成后繼續(xù)攪拌2分鐘后澆鑄渦輪模殼。通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下的有益效果
本專利材料較Ti-46. 5Al-lCr-2. 5V合金材料具有更加優(yōu)良的高溫抗蠕變、抗氧化性能，以及更低的成本。同時，專利材料具有與Ti-46. 5Al-lCr-2. 5V合金相當(dāng)?shù)蔫T造流動性能。新發(fā)明的材料非常適合于鑄造在850-900°C下長期使用的鈦鋁渦輪等汽車零部件，具有巨大的市場前景。
具體實施例方式實施例
本發(fā)明的鈦鋁材料均采用海綿鈦、純Al、AlCr50合金、A1V55合金、純C粉作為原料，在真空感應(yīng)爐中熔煉并澆鑄渦輪模殼和附鑄試棒。澆鑄用鈦鋁鑄錠的熔煉方法為首先抽真空至3. 5Pa,對低成本鈦鋁基合金的原材料進(jìn)行充氬熔煉，氬氣壓力為60000 Pa,全部熔化完成后繼續(xù)攪拌2分鐘，鈦鋁合金鑄錠反復(fù)熔煉2次。渦輪模殼的澆鑄工藝為預(yù)抽真空度 3. 5Pa,鈦鋁鑄錠全部熔化完成后繼續(xù)攪拌2分鐘后澆鑄渦輪模殼和附鑄試棒。本發(fā)明的實施例1-實施例6的試驗結(jié)果如下表1所示。表權(quán)利要求
1.一種高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金，其特征是合金的具體化學(xué)成分的原子百分比組成為Ti444.(T48.0 )六1-(0.5 2.0)0-(0.5-2.0)￥-(0.1-0.7)(，其余為不可避免的雜質(zhì)元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金，其特征是合金的化學(xué)成分原子百分比組成為=Al為45. 0-47. 0 at% ；Cr為0. 5-1. 5 at% ；V為1. 0-2. 0 at% ；C 為 0. 2-0. 6 at%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金，其特征是合金化學(xué)成分原子百分比組成為A1 46 at% ；Crl. 0 at% ；V 1.5 at% ；C 0.3 at%。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種高溫性能和鑄造性能優(yōu)異的低成本鈦鋁基合金，其特征是合金的具體化學(xué)成分的原子百分比組成為Ti-(44.0~48.0)Al-(0.5~2.0)Cr-(0.5-2.0)V-(0.1-0.7)C，其余為不可避免的雜質(zhì)元素。本專利材料較Ti-46.5Al-1Cr-2.5V合金材料具有更加優(yōu)良的高溫抗蠕變、抗氧化性能，以及更低的成本；且具有與Ti-46.5Al-1Cr-2.5V合金相當(dāng)?shù)蔫T造流動性能，適合于鑄造在850-900℃下長期使用的鈦鋁渦輪等汽車零部件，具有巨大的市場前景。
文檔編號C22C14/00GK102312127SQ20111025462
公開日2012年1月11日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者周洪強(qiáng), 陳志強(qiáng) 申請人:洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司