[发明专利]一种铸态高铌TiAl合金及改善其合金组织的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料中的金属间化合物技术领域，具体是一种高铌TiAl合金及其合金组织控制方法。

背景技术

TiAl合金由于具有较低的密度、高的比强度和比刚度、优良的的抗蠕变及抗氧化性并兼具阻燃性能等优点，使其成为一种很有发展前景的新型高温结构材料。TiAl合金其使用温度可望达到900℃以上，良好的综合性能使其可望填补高温钛合金和Ni基高温合金的使用空白，被认为是最有应用潜力的新一代航空航天轻质耐高温结构材料。但因其室温塑性低、断裂韧性差以及加工成型困难等不足严重影响了该体系合金在航空航天等领域的应用。鉴于TiAl基合金的性能强烈依赖于合金成分，在相当长的一段时间内对TiAl基合金的研究主要集中在通过成分设计即合金化的手段控制合金组织形态，进而实现对合金力学性能的改变。Nb元素的加入，使TiAl基合金的使用温度、强度及抗蠕变性能相比于二元TiAl合金有了明显的提升。

在公开号为CN1069775A的发明创造中，公开了一种铌钛铝系金属间化合物耐热高温材料。所提出的Nb-Ti-Al系合金在1100℃的抗氧化性较TiAl合金约提高一个数量级、屈服强度约为350～530CMPa，800℃时的屈服强度可达750MPa。良好的性能使得高Nb-TiAl受到广泛的关注并成为TiAl合金重要的研究方向之一。但是，该发明创造中提出的Nb-Ti-Al合金与普通TiAl合金一样，组织通常为粗大的片层组织，在这种状态下合金的室温延展性低、塑性差且难以加工成型。所以获得细小均匀的全片层组织对于合金力学性能的提高以及实现广泛的实际应用非常重要。

在公开号为CN101319297A的发明创造中，公开了一种铸态TiAl基合金的细化方法。通过向铸态TiAl基合金中通入脉冲电流的方法实现组织的细化。但此种方法需要对熔炼设备进行重新设计，对于大尺寸的铸锭的铸造显然成本较高。同时对于组织的细化过程不可控制。

在公开号为CN1187545A的发明创造中，公开了一种钛铝合金铸件的组织均匀细化方法。本发明虽然对无热机械变形的TiAl合金组织起到了细化作用，但过程较为复杂且周期较长，对于大规模的生产和成本的降低不利。在公开号为CN101020983A的发明创造中，公开了一种大尺寸铸态高铌TiAl基合金获得全片层组织的热处理方法。通过热处理工艺消除了大尺寸高铌TiAl铸锭的偏析现象同时细化合金组织。然而其并没有考虑合金成分设计对于组织的影响，仅从热处理的角度不能完全解决优化组织的问题。国外的TiAl相关专利，一般仅考虑成分设计或热处理工艺，对于两者之间并没有进行有效的联系。

田文怀等（Intermetallics,1997,5(3):237-244）对加入0.1%～1.0at.%C元素的二元TiAl合金在1250℃固溶处理168小时后水冷淬火，随后在700～900℃进行时效处理，使得TiAl合金的强度和硬度提高。但固溶处理温度过低且时间过长，对组织的性能不利。Chen等（Scripta metallurgicaet materialia,1992,26(8):1205-1210.）在Ti-48Al-2Nb合金中添加600～700ppm的C元素后，在1100℃固溶处理1～2h后水冷淬火，而后于750℃时效24h。同样存在固溶处理温度过低的问题。Gouma P I（Materials Science Forum.2003,426:4635.）等添加少量Si和C元素的K5合金在α单相区固溶处理获得全片层组织；Sun等（Metallurgical and Materials Transactions A,1998,29(11):2679-2685.）将Ti-45Al-2Cr-2Nb合金加热到1320℃（α单相区）保温1h后水冷，而后在600～800℃时效0.5～1h。这些研究存在着固溶温度不明确以及时效温度过低的问题。何双珍等（航空材料学报,2003,23(3):5-10.）以Ti-48Al-2Cr-0.5Mo为研究对象，在α单相区1330℃～1400℃对合金保温5min后淬入50℃水中，随后又将合金加热到1250℃（α+γ两相区）保温3～9h。其保温时间过短，且时效温度过高，这些都不利于力学性能的提高，同时仅关注热处理的影响而对于成分的设计并未进行研究。

综上所述，目前的相关专利及文献过多的关注热处理工艺的影响，而并没有综合考虑成分设计和热处理工艺相结合的方法，以期提高TiAl基合金的综合性能。

目前提供的高Nb-TiAl成分及其制备方法，所得到的高Nb-TiAl的组织控制差，塑性和强度较低。

发明内容