[发明专利]一种钛镍铝稀土高温合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛镍铝稀土高温合金材料，通过在钛镍合金中添加Al、RE元素来提高钛镍合金的室温屈服强度、室温塑性、高温力学性能和疲劳极限的一种新型高温合金材料。

背景技术

目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，应用在600℃以上的金属结构材料通常为镍基、铁基和钴基高温合金。这些材料具有较高的密度(一般在8.0g/cm³以上)，所制成的构件和设备重量大，为了减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，必须开发低密度、高强度的新型高温合金以适应相关工业领域未来发展的需要。

二元TiNi合金是一种具有优良力学性能、良好的耐蚀性和生物相容性的金属间化合物，作为形状记忆合金功能材料已经在医学、工业和生活等领域得到广泛的应用。这种合金的密度为6.3g/cm³，比镍基、铁基和钴基高温合金低20％左右。

为了提高TiNi合金的力学性能，在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al元素得到低密度的TiNiAl合金来提高室温和高温屈服强度，开发出新型的低密度、高强度高温合金替代传统高温合金，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。

为了进一步提高TiNiAl合金室温和高温力学性能，本发明通过添加稀土(RE)元素以细化晶粒，提高室温塑性和疲劳极限，增加疲劳稳定性。

发明内容

本发明的目的是提出一种低密度、高比强度TiNiAlRE高温合金材料，该TiNiAlRE高温合金作为结构材料在高温使用，可以替代传统的高密度镍基、铁基和钴基高温合金材料，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。

本发明的一种钛镍铝稀土高温合金材料，由35at％～65钛(Ti)at％的、35at％～50at％的镍(Ni)、1at％～14at％的铝(Al)和0.001at％～1at％的稀土(RE)元素组成，并且上述各成分的含量之和为100％。

所述稀土(RE)元素可以是镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铽(Tb)、镝(Dy)、钇(Y)或者钪(Sc)元素之一。

所述的钛镍铝稀土高温合金材料，在18℃时屈服强度为1000～1800MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1250～350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加。

所述的钛镍铝稀土高温合金材料，在10⁷循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ_600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能。

所述的钛镍铝稀土高温合金材料的密度为5.20～6.30g/cm³。

本发明的一种钛镍铝稀土高温合金材料的制备方法，包括下列步骤：

(1)按配比称取纯度为99.9％的钛(Ti)、纯度为99.9％的镍(Ni)、纯度为99.9％的铝(Al)、纯度为99.9％的稀土(RE)；

(2)将上述称取的钛、镍、铝和稀土原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2800℃～3200℃熔炼成TiNiAlRE高温合金锭材；

(3)将上述制得的TiNiAlRE高温合金锭材密封在真空石英管中后置于热处理炉内热处理，在真空度2～5×10^-3Pa，均匀化处理温度900℃～1000℃下保温12～24小时后，随炉冷却，即得到Ti_35～65Ni_35～50Al_1～14RE_0.001～1高温合金材料。

本发明钛镍铝稀土高温合金材料的优点：(1)在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al和RE元素来提高合金的室温屈服强度、室温塑性、高温力学性能和疲劳极限。该合金材料在18℃时屈服强度为1000～1800MPa，变形率大于15％；在高温600℃～800℃时屈服强度为1250～350MPa，变形率大于35％，晶粒细化，变形率增加；在10⁷循环次数下的旋转弯曲疲劳极限σ_600℃可达600MPa，具有稳定的疲劳性能。该钛镍铝稀土高温合金材料密度为5.20～6.30g/cm³。

(2)该TiNiAlRE高温合金材料与具有相同原子百分比的TiNiAl高温合金相比，具有更高的变形率和疲劳极限。

具体实施方式