[发明专利]铸造用钛铝基合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及γ-TiAl基金属间化合物轻质高温结构材料制备领域，特别是涉及一种在保持室温拉伸塑性的前提下高温力学性能明显改善的铸造用钛铝基合金及其制备方法。

背景技术

航空、航天、车辆、舰船发动机性能的提高，要求发展比强度高、比模量高和耐更高使用温度的新型高温结构材料。γ-TiAl基合金具有低密度、较高弹性模量以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化等优点，应用于航空、航天和车用发动机热端部件将通过结构减重提高发动机的工作效率，具有重要的技术推动作用。例如，与装配镍基高温合金增压器涡轮的发动机相比，配备钛铝合金增压器涡轮的柴油发动机，响应时间、比油耗和稳态烟度均明显降低，发动机性能显著提高，并产生了明显节能减排效果。然而，钛铝基合金室温本征塑性不足，限制了其工程化应用。近年来，通过组织控制和合金化基本解决了其室温脆性问题，部分钛铝基合金已经具备工程应用的条件。

钢铁研究总院申请的专利CN1024927中记载，控制Ti/Al原子比并应用Cr和V两种元素的复合合金化，Ti-(30～34wt％)Al-(1～6wt％)V-(1～6wt％)Cr合金室温拉伸塑性变形可达4.8％，创当时国际上TiAl金属间化合物合金室温拉伸塑性的最高水平；同时，该成分的铸造合金也表现出优异的室温拉伸塑性(大于1.7％)。进一步优化Ti/Al原子比以及Cr和V的配合，得到了室温拉伸塑性进一步改善的Ti-(46.0～48.0)、Al-(1.5～3.5)V-(0.5～1.5)Cr合金。力学性能测试表明，该铸造合金表现出优异的室温拉伸塑性和强度组合，其中，室温拉伸塑性大于2.5％，同时，在650～750℃范围内具有较好的高温强度和蠕变抗力。然而，由于未添加高熔点合金元素(Nb、W、Mo、Ta等)或者弥散相形成元素(C、B、Si等)，该合金高温强度、蠕变抗力、长时组织稳定性尚不能满足750℃以上温度的使用要求。因而，需要找到一种方法，在保持室温拉伸塑性的前提下，改善该合金的高温力学性能，以满足更高温度使用的要求。

添加高含量的高熔点合金元素，通过固溶强化和提高组织稳定性，可改善钛铝基合金的高温力学性能。例如，专利US5207982和US5286443报道，添加高含量(1～4at％)的高熔点合金元素Nb、W、Mo、Ta、Y、Zr、Hf，可明显改善钛铝合金的高温强度、抗腐蚀性和抗氧化性，但均导致室温拉伸塑性明显降低。专利US5286443认为，当这些高熔点合金元素(Nb、W、Mo、Ta、Y、Zr、Hf)添加量小于0.5at％时，其强化作用很小。专利EP0636701报道，铸造Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si(at％)合金650℃/276MPa、760℃/138MPa、815℃/138MPa蠕变量0.5％所对应时间是Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)的10倍以上，但前者1.3％的室温拉伸塑性也低于后者2.0％以上的室温拉伸塑性。这表明，高熔点合金元素添加量约0.5at％、多种元素的微合金化方法的确有利于改善钛铝合金的蠕变性能，但仍造成了钛铝合金室温拉伸塑性明显降低。

添加C、B、Si等元素形成弥散强化相，可改善高温力学性能。例如，专利EP2657358报道，添加0.016～0.05wt％C，改善了铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb(at％)合金的抗蠕变性能，将其使用温度从760℃提高至870℃，但是其室温拉伸塑性从2.0％以上降低到0.3～1.6％。专利EP1052298也报道了相似的现象，在铸造47AlXD合金中添加0.037～0.069wt％C，可明显改善650℃/276MPa、760℃/138MPa、815℃/138MPa的蠕变性能，同时，其室温拉伸塑性也从0.8％降低到0.4％。显然，添加微量的C的确有利于改善合金高温蠕变性能，但也导致了室温拉伸塑性的降低。此外，专利US6294132报道，在钛铝合金中添加0.2～0.5at％Si，可明显改善合金的抗氧化性，且形成的Ti₅Si₃相可明显提高合金的高温强度和蠕变强度，但也造成合金室温拉伸塑性降低。专利US5284620报道，在Ti-47Al-2Mn-2Nb合金中添加0.3at％B，形成TiB₂强化相，可明显提高合金的高温强度，但其室温拉伸塑性也从1.7％降低到0.5％。可见，添加C、Si、B等弥散强化相形成元素，的确提高合金的高温力学性能，但都不同程度地降低了合金的室温拉伸塑性。