一种Ti2AlNb基合金

摘要

本发明提出一种Ti2AlNb基合金，其特征在于：该合金成分的原子百分比为20％～25％Al，20％～24％Nb，0.3％～2％Mo，0.5％～2％Zr，0.01％～0.5％Hf，0～0.8％Si，余量为Ti以及不可避免的杂质，并且Mo+Zr+Hf+Si≥1.0％。本发明提供的Ti2AlNb基合金具有良好的高温抗氧化性能、室温塑性、高温拉伸强度和持久性能。

权利要求

1.一种Ti2AlNb基合金，其特征在于：该合金成分的原子百分数为20％～25％Al，20％～

24％Nb，0.3％～2％Mo，0.5％～2％Zr，0.01％～0.5％Hf，0～0.5％Si，余量为Ti，其中，Mo、Zr、Hf、Si四种元素的原子百分数之和大于等于1.0％，即：Mo+Zr+Hf+Si≥1.0％。

2.根据权利要求1所述的Ti2AlNb基合金，其特征在于：该合金成分的原子百分数为20％～25％Al，20％～24％Nb，0.5％～1.5％Mo，0.5％～1.5％Zr，0.01％～0.1％Hf，0～0.5％Si，余量为Ti，其中，Mo、Zr、Hf、Si四种元素的原子百分数之和大于等于1.0％，即：Mo+Zr+Hf+Si≥1.0％。

3.根据权利要求1所述的Ti2AlNb基合金，其特征在于：该合金成分的原子百分数为20％～25％Al，20％～24％Nb，0.8％～1.2％Mo，0.8％～1.5％Zr，0.01％～0.05％Hf，0.5％Si，余量为Ti，其中，Mo、Zr、Hf、Si四种元素的原子百分数之和大于等于1.0％，即：Mo+Zr+Hf+Si≥1.0％。

说明书

一种Ti2AlNb基合金

技术领域

[0001] 本发明是一种Ti2AlNb基合金，该合金属于Ti-Al系金属间化合物领域。

背景技术

[0002] Ti-Al系金属间化合物具有密度低、比强度高、抗氧化性能好等优点，是650℃以上温度应用的高温结构件的备选材料。对Ti-Al系合金的早期研究主要集中于Ti3Al基合金和TiAl基这两类材料，通过在Ti3Al基合金中添加Nb元素，在Ti3Al基合金中引入B2相，使合金的室温塑性和韧性得到显著改善，以Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo为代表的(α2+B2)两相Ti3Al基合金得到了快速发展。1988年，Banerjee等研究者在强、韧化Ti3Al基合金的研究中发现，随Nb含量的增加，合金中生成一种成分在Ti2AlNb附近的、具有正交结构的新相，即O相，并且研究发现，以Ti2AlNb为基的(O+B2)两相合金以及(O+α2+B2)三相合金比(α2+B2)两相Ti3Al基合金具有高的强度、韧性和室温塑性，具有代表性的Ti2AlNb基合金包括Ti-23Al-24Nb、Ti-22Al-25Nb以及Ti-22Al-27Nb等。

[0003] Ti2AlNb基合金具有良好热加工性能，可制造大型结构件，其密度在5.3～5.7g/cm3之间，使用温度可达到650℃～700℃，是有望替代一些高温合金应用于航空、航天等领域高温结构的重要材料，提高其高温抗氧化性能和蠕变性能一直是这类材料的重要发展方向。

[0004] 在研究合金元素对Ti3Al基合金、Ti2AlNb基合金的抗氧化性能影响时发现，当Nb含量在(10％～13％)范围，Ti-Al-Nb系合金的抗氧化性能最好，当Nb含量进一步增加时，由于高Nb合金高温热暴露后表面的Nb2O5氧化膜中有小裂纹和缝隙存在，保护作用下降，合金的抗氧化性能降低。 而Ti2AlNb基合金的Nb含量通常在18～30％，不在抗氧化性能最好的成分区间，从合金成分设计的角度提高抗氧化性能需要从控制Al/Nb比，添加有利于提高抗氧化性能的其他合金元素等方面采取措施。美国专利(US Pat.4983357)提出了一种具有优良抗氧化性能，良好高温强度的Ti-Al-Nb系合金，该合金含有29～35wt％Al，0.5～20wt％Nb，0.12～1.8wt％Si，0.3～5.5wt％Zr，该合金特点是Al/Nb比远高于Ti2AlNb基合金，保证了其具有非常优异的高温抗氧化性能，同时添加Si、Zr进一步提高了高温强度。但是这种高Al/Nb比的合金已经跨出了Ti2AlNb基合金的成分范围，成为以γ相为基的TiAl基金属间化合物材料，而这类材料由于塑性、韧性低而无法制造大型铸锭和大型锻件。

[0005] 目前对Ti-Al系合金的研究已经从早期的关注室温塑性/韧性，发展到更为关注影响其高温结构应用的高温强度和持久蠕变性能，通过改进热加工、热处理工艺是一个方面，同时进一步优化合金成分也是重要的技术途径，目的是提高Ti2AlNb基合金的抗氧化性能和高温蠕变性能。

发明内容

[0006] 本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种Ti2AlNb基合金，其目的是提高该种合金的抗氧化性能和高温蠕变性能。

[0007] 本发明技术方案采用Mo、Zr、Hf、Si元素作为进一步的合金化元素，提供了如下的Ti2AlNb基合金技术方案：

[0008] 该种Ti2AlNb基合金，其特征在于：该合金成分的原子百分数为20％～25％Al，20％～24％Nb，0.3％～2％Mo，0.5％～2％Zr，0.01％～0.5％Hf，0～0.5％Si，余量为Ti，其中，Mo、Zr、Hf、Si四种元素的原子百分数之和大于等于1.0％，即：Mo+Zr+Hf+Si≥1.0％。

[0009] 上述技术方案中，该Ti2AlNb基合金的Al元素含量范围控制在20％～25％，Nb元素含量范围控制在20％～24％，为(O+α2+B2)三相Ti2AlNb基合金。控制Al/Nb比控制在0.92～1.25之间，能够保证该合金的抗氧化 性能不低于Ti-23Al-24Nb合金，比Ti-22Al-(25～27)Nb合金更好。

[0010] 该Ti2AlNb基合金的中含有少量Mo、Zr元素，目的是提高合金高温持久和蠕变性能，出于控制合金密度考虑，Mo含量控制在0.3～2％；添加过多的Zr不利于抗氧化性能，因此Zr含量控制在0.5～2％。

[0011] 该Ti2AlNb基合金的中含有少量Hf元素，目的是提高抗氧化性能，Hf元素是改善Nb基合金抗氧化性能最有效的元素，在Ti2AlNb基合金中很少量的添加也能起到明显作用，出于控制合金密度、原材料成本等多方面考虑，Hf元素含量控制在0.01～0.5％。

[0012] 该Ti2AlNb基合金的中含有少量Si元素，目的是提高高温持久和蠕变性能，同时对抗氧化性能有益，但过多的Si添加会造成材料的室温塑性降低，因此Si含量控制在0～0.8％。

[0013] 与现有的Ti2AlNb基合金相比，本发明技术方案的优点在于：该合金具有更好的抗氧化性能、高温持久和蠕变性能，并且合金的密度在5.25g/cm3～5.45g/cm3之间。该合金适合应用于650℃以上高温承力结构件。

具体实施方式

[0014] 以下将结合实施例对本发明技术方案作一步地详述。

[0015] 实施例1～4

[0016] 实施例1～4的配料成分见表1，利用非自耗真空熔炼炉，制备4种成分的纽扣锭，配料重量为50g。试验过程如下：按照表1所示的配料成分的质量百分数，计算并称取50g铸锭所需的原材料，以成分2为例，称取22.29g海绵钛、5.31g纯铝箔、19.12g纯Nb削、0.85g钼粉、0.81g海绵锆、1.59g纯铪条，用铝箔将钼粉包裹成颗粒，将所有原材料放入非自耗真空炉的坩埚中，抽真空后进行熔炼，完成熔炼并冷却后，将纽扣锭翻转再放入坩埚中，再次熔炼，反复熔炼共计5次，以保证成分均匀。按照同样的方法，完成其他3个成分纽扣锭的熔炼。从每个纽扣锭上线 切割切取并加工尺寸为30×10×2mm的试片，按照HB 5258的规定测试750℃/100h高温热暴露后的氧化增重，比较抗氧化性能。从表1可以看出，Ti2AlNb合金中，提高Al/Nb比、进一步添加Mo、Zr、Hf对提高合金抗氧化性能有益，并且随Hf含量的增加，氧化增重量减少，抗氧化性能提高，添加Hf元素的作用非常明显。

[0017] 表1 Hf含量对合金抗氧化性能的影响

[0018]

[0019] 实施例5～12

[0020] 实施例5～12的配料成分见表2，按照表2所示的配料成分制备铸锭，配料重量112kg。采用三次真空自耗熔炼工艺制备铸锭。工艺过程为：配料计算、称取原材料、压电极(电极规格为 单块电极块重7kg)、焊电极和真空自耗熔炼。制备铸锭所需的原材料包括：海绵钛、纯铝豆、Al-75Nb合金、Al-60Mo合金、海绵锆、纯铪片和Al-10Si合金，首先是按照配料成分的质量百分数计算单块电极所需各种原材料的量，经混料后，在液压机的专用模具中压制成 的电极块，每个成分压制16块电极块；4个电极块焊接为一根长电极，进行一次熔炼，共熔炼4炉，得到4个规格为 的一次铸锭；2根一次铸锭对焊，进行二次真空自耗熔炼，得到2根规格为 的二次铸锭；2根二次铸锭对焊，进行三次真空自耗熔炼，得到1根规格为 的三次成品铸锭。铸锭经车削扒皮去除表面氧化皮及气孔后直径为260mm。成品铸锭在1150℃、 1100℃、1050℃、1020℃等温度进行镦拔锻造和拔长锻造，得到 的棒材，锻造在2000吨快锻机和5吨液压锻锤上完成。从锻造棒材上取样，进行热处理，热处理制度为980℃保温1.5小时，油冷，然后800℃保温20小时，空冷。热处理后加工并测试了棒材的室温拉伸和持久、蠕变性能，见表3。

[0021] 表2真空自耗熔炼的铸锭配料成分

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[0023] 表3不同成分棒材的力学性能

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[0025] 试验表明，以Mo元素替代一部分Nb元素，同时添加少量Zr、Hf、Si元素能够有效提高合金的高温持久、蠕变性能，特别是Mo含量从0.3％提高到2％，持久、蠕变性能提高显著，但室温塑性由8.5％降低至5.4％；对比7#合金与11#合金，可以看出少量添加Si元素，对提高持久和蠕变性能也有作用，但会少量损失一些室温塑性；对比7#、11#、12#合金，可以看出，Hf元素由于添加量比较少，对强度、高温持久蠕变性能的影响很弱，不如Si元素，Hf元素在合金中的作用主要体现在前面所述的提高抗氧化性能。综上所述，所提出的多元Ti2AlNb基合金具有良好的综合力学性能，室温拉伸延伸率均保持在5％以上，650℃拉伸强度达到800MPa以上，750℃拉伸强度超过700MPa，650℃/360MPa持久时间超过100h。