[发明专利]一种钛基多主元合金

说明书

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种钛基多主元合金。采用钛、铝、铬、铌四种合金元素作为主要合金元素，按原子百分含量含有：70％～50％Ti、13％～28％Al、8％～11％Cr、10％～15％Nb、0～2％Zr、0～0.5％Ta、0～0.5％W，0～2.0％Si，余量为不可避免的杂质。合金密度在4.6g/cm³～5.2g/cm³范围内，比传统的镍基高温合金密度低35％以上，替代传统的镍基合金可以实现显著的结构减重效果。其在650℃～850℃抗氧化性能优异，同时具有良好的力学性能，在航空发动机高温结构件上具有很好的应用潜力。

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种钛基多主元合金。

背景技术

在航空发动机材料领域，根据风扇、压气机、涡轮等部件服役温度差异，选用不同的结构材料。通常在中低温段(室温～600℃)的风扇和压气机部位主要采用钛合金材料，钛合金的密度在4.4g/cm³～4.6g/cm³，主要部件类型包括盘类、叶片类、机匣类；而在高温段(650℃～1200℃)的涡轮位置则主要使用镍基高温合金材料，镍基合金的密度在8.2g/cm³以上。

传统单主元的钛合金最高使用温度在650℃以下，主要受限于其在更高温度下的抗高温氧化性能和高温强度不能满足服役要求。针对航空发动机结构减重的迫切需求，采用轻质耐高温的新型合金替代传统的镍基高温合金意义重大。

开发在650℃以上温度使用的钛基合金一直是航空发动机材料研究的重要方向。国内外研究者开发了钛基的金属间化合物，主要包括γ-TiAl合金、Ti3Al合金和Ti2AlNb合金，其中Ti3Al和Ti2AlNb合金的主合金元素均为Ti、Al、Nb，其设计使用温度在650℃～750℃，该合金密度在4.8g/cm³～5.4g/cm³，目前性能比较优异的Ti2AlNb合金中Nb含量在22％～25％之间，Nb元素的原材料成本较高，造成了合金制备成本高，同时，过高的Nb含量使得该类合金在800℃以上温度不能达到完全抗氧化级别，故很难在更高温度服役，该类合金在国内外尚未获得应用，国内处于应用研究阶段。γ-TiAl合金的服役温度在700℃～850℃之间，主合金元素为Ti、Al，该合金密度在3.9g/cm³～4.2g/cm³，在850℃及以下温度完全抗氧化，已经在国外多型主流航空发动机上获得应用，但是由于其热加工窗口窄造成加工成本高，且室温塑性较差(室温断后伸长率0.5～2.5％)，故其目前只作为低压涡轮或高压压气机叶片部件使用。

多主元合金是近10几年来发展出来的一类新型金属结构材料，根据其组成元素和含量的差异，在结构材料、功能材料领域表现出了应用潜力。现有报道中的可用于高温结构中的多主元合金以多主元难熔合金体系为主，一类是抗高温软化性能好，但是合金密度高，例如NbMoTaW和VNbMoTaW合金，其在1000℃时的压缩屈服强度分别为548MPa和842MPa，但是其密度分别为13.75g/cm³和12.36g/cm³；另一类是低密度多主元合金，例如，NbTiVZr合金，其密度为6.5g/cm³，600℃的压缩屈服强度834MPa，但是其在600℃不具有抗氧化性，因此也难于在高温环境应用。

基于现有高温钛合金、钛基金属间化合物的分析和大量其它体系合金的公开报道，发现目前在650℃～850℃范围内，缺少一种可以在该温度段同时具有低密度、优异抗氧化性能、力学性能优异的高温结构材料。在航空发动机结构减重的大背景下，亟待开发新型轻质、耐高温结构材料。

本专利提出的材料是针对航空航天等高温环境(≤850℃)应用条件开发的，其可以作为传统镍基合金的替代材料，实现明显的结构减重效果。

发明内容