铌钛铝系金属间化合物耐热高温材料

摘要

本发明提供了一种Nb-Ti-Al系金属间化合物耐热高温材料，其特征是化学成分为Al：28—34wt％，Nb：16—40wt％，Y：0—0.8wt％，Ga：0—5wt％，Mn：0—4wt％，Hf：0—10wt％。余量为Ti。其优点在于该合金材料具有与TiAl基及Ti

说明书

该发明涉及的是耐高温Nb-Ti-Al系合金，该合金具有明显优异的高温强度及高温抗氧化性、较低密度和一定的室温韧性，其极限使用温度明显高于现有Ni基高温合金。

高温材料应具有低密度、高温高强度及良好高温抗氧化等特征，目前已发展的高温结构用合金主要有：常规高温合金、Ti基合金、Nb基合金、TiAl基及Ti₃Al基金属间化合物等。

常规高温合金主要有铁基、镍基、钴基高温合金，这类合金具有相对高的密度（8～9g/cm³），因而高温比强度较低，且极限使用温度不超过1100℃。

另一类高温结构材料为Ti基合金，该类合金具有较低密度约4.5g/cm³，但其较差的高温强度及高温抗氧化性限制其使用温度不超过650℃。

新型Nb基合金如Ti-36Nb-20Al-2Hf及Ti-30Nb-20Al-5Hf（at%）合金（EP0372322Al，专利号EP891217689）较Ni基高温合金具有较低密度（6～6.5g/cm³），较高室温及中温强度，但900℃以上其屈服强度急骤降低，1000℃时屈服强度仅有120～160MPa，且抗氧化性较差。

Ti-Al系合金即TiAl基及Ti₃Al基金属间化合物高温材料有以下优点：

（1）较低密度，尤其是TiAl基合金密度为3.7g/cm³，约为Ni基高温合金的一半。

（2）良好的高温强度，如TiAl基合金直至800℃时屈服强度及弹性模量仍未降低，与室温时水平相当。

但Ti-Al系金属间化合物具有以下缺点：

（1）高温抗氧化性较差，TiAl基合金抗氧化性明显差于Ni基高温合金，特别是在900℃时TiAl基合金抗氧化能力急骤降低。

（2）室温韧性较差，目前报道的TiAl基合金室温韧性K_lc＝10～25MPa，合金化可改善TiAl基合金室温韧性，如US-№4294615（申请日期：13.10.1981）发明的Ti-（31～36）wt%Al-（0.1～4）wt%V合金具有良好的室温韧性，但该合金高温比强度较低。

（3）不具有明显优越的高温强度，如上所述，TiAl合金直至800℃屈服强度仍保持不降，但其屈服强度水平仍较低。如日本专利特开平1-298127所发明的TiAl基合金800℃时屈服强度均低于400MPa;欧洲专利EP-0363598A1所发明的Ti-Al-Nb-Si或Zr（Si或Zr二者必含其一）合金，在室温韧性、抗氧化性、高温强度等方面均较TiAl合金有所改善，但从所给性能参数看，专利所发明的合金较对比合金Ti-32.38%    Al-5.18%Nb（wt%）（特开平1-298127专利所发明合金）在抗氧化性、室温断裂韧性等方面均没有改善，只是合金高温强度水平有所提高，而且其强度水平也只是820℃100h最高蠕变断裂强度仅为350MPa，所以上述两专利所列举合金的性能水平亦不比现有Ni基高温合金优越，考虑到其较差的室温韧性，是难以取代现有高强Ni基高温合金的，特别是在使用温度超过820℃更是如此，即TiAl基合金极限使用温度较Ni基高温合金并不具优势。因此有必要进一步发展具有较优越性能的Ti-Al-Nb系金属间化合物材料。

本发明的目的是发展极限使用温度及强度优于TiAl基合金的新型耐高温材料，该类合金具有与TiAl基和Ti₃Al基合金相近的密度，高温强度明显优于TiAl基及Ti₃Al基合金，同时具有一定的室温韧性，本发明特别注重提高使用温度到950℃以上直至1100℃，要求所发明合金在该温度区间有比现有Ni基高温合金及TiAl基Ti₃Al基合金更优的高温比强度，并且还有与Ni基高温合金相当的抗氧化性。

本发明的构成

化学成分为：

Al：28～34wt%

Nb：16～40wt%

Y：0～0.8wt%

Ga：0～5wt%

Mn：0～4wt%

Hf：0～10wt%

其优先选择范围为Nb：20～30wt%，Y：0.2～0.6wt%，Al：28～30wt%。其余为Ti及不可避免的杂质元素。

本发明所给出的性能较好的合金应处于上述成分范围内是因为：

鉴于Ti-Al相图中在Al含量处于26～36wt%之间合金处于Ti₃Al+TiAl两相区，目前发展TiAl基合金都企图在这个Al含量范围内控制适当的Ti₃Al及TiAl相的相对含量以得到优良的性能。本发明强调高的含Nb量（16～40wt%）是由于在高Nb范围内会形成新的有序金属间化合物TiAl超结构相及γ₁相（NbTiAl₃相），同时还可得到含高Al、Nb的α相及α₂相，因此本发明并不强调以TiAl为基，而是具有多相复合组织，这种成分范围保证本合金比TiAl基及Ni基高温合金有更高的熔点及高温性能，同时保持较低密度（4.0～4.7g/cm³），高Nb合金能提高高温强度及使用温度，但对抗氧化性不利，加Y的目的在于改善抗氧化性，同时也有利于室温塑性，Ga、Mn、Hf作为提高合金高温强度及室温塑性的元素起到有利作用。

本发明的优点在于合金具有与TiAl基及Ti₃Al基合金相近的密度ρ＝4.0～4.7g/cm³，具有一定的室温韧性K_lc可达17MPa$\sqrt{m}$，1100℃抗氧化性较TiAl合金提高约一个数量级，800℃屈服强度可达750MPa，1100℃屈服强度约为350～530MPa，即相应高温比强度明显优于TiAl基合金及Ni基高温合金，从高温强度及抗氧化能力看，该合金较TiAl基合金及Ni基高温合金具有更高的极限使用温度。

下面结合附图对本发明进一步说明

图1描述了TiAl系合金（Ti-48Al），Ti₃Al基合金（Ti-25>3Al基合金，曲线4为TiAl系合金。

实施例：

属于本发明所涉及成分范围内合金（表1）及对比用合金经真空自耗感应炉熔炼后浇注为铸锭，并线切割加工成所要求性能试样进行密度、抗氧化性和力学性能测试，合金密度采用水中浮重法测量，抗氧化性能试样为10×10×1mm，用1100℃    100h等温静态氧化增重表征抗氧化性，表1及图1所给屈服强度及延伸率为压缩性能，试样尺寸12×φ6mm，应变速率＝10^-2/S，断裂韧性K_lc试样为2.5×5×16mm矩形四点弯曲试样，本发明中№1及№12合金及用于对比的TiAl基及Ti₃Al基合金0～1100℃屈服强度随温度变化曲线如图1，本发明合金具有明显优异的高温强度;表1所给对比合金为Ti-36wt%Al及Ti-32wt%Al-5wt%Nb合金。实施例中所给合金性能证明本发明所提Nb-Ti-Al系新型耐高温合金具有前述优异性能。