一种室温塑性及铸造流动性能优异的钛铝基合金及其制法

摘要

本发明介绍了一种室温塑性及铸造流动性能优异的钛铝基合金及其制法，该合金属于γ-TiAl合金，原子百分比组成为：Al：44.0-48.0at%、Cr：0.5-3.0at%、Ni：0.2-3.0at%、Si：0-0.8at%，其余为Ti及不可避免的杂质元素；制法是将合格的原料在真空自耗电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼并浇铸成型；浇铸成型时对钛铝合金铸锭进行真空熔炼后浇铸或进行充氩熔炼后浇铸。本发明的钛铝基合金材料，室温塑性和铸造流动性好，适合薄壁零件的铸造；其长期使用在800-850℃，表面无需进行抗氧化处理。

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种高温合金领域技术，特别是一种室温塑性及铸造流动性能优异的钛铝基合金及其制法。

背景技术

随着航空、航天、汽车、舰船等发动机性能不断提高，对高温材料的性能提出了更高的要求，即更高的强度、抗氧化性能和更轻的密度等。γ-TiAl基合金材料具有良好的高温强度、蠕变抗力和抗氧化性能等优点，正在发展成为新一代航空发动机材料，可用于制造压气机、燃气涡轮机叶片，压气机定子挡风板，定子机座以及其他形状复杂的大尺寸铸造和锻造零件，以部分替代笨重的镍基高温合金，可减重约50%。γ-TiAl基合金已用于制造汽车发动机的涡轮增压器、气阀等。目前，中国和世界各工业国家都在积极地开展研究，但已经实际应用的合金种类很少。

从钛铝合金材料的理论研究来看：当钛铝合金铸造过程中凝固路线为γ相凝固时，凝固后的钛铝合金多处于γ单相区，单相γ-TiAl的室温延伸率非常差，原因是单相γ-TiAl室温下很多位错不可动，而主要的滑移位错又被层错偶极子钉扎。而α₂+γ组织在延伸率和强度上明显优于单相γ-TiAl，原因是α₂吸收氧，从而降低了γ中的氧含量，利于位错滑移。

目前为止钛铝合金制备过程中α相凝固路线研究最多，其中Al%研究最多的是46-47at%。Ti-(46-47 at%)Al钛铝合金材料的凝固路线为α相凝固，α相凝固路线如下：L（液相）→α相→α+γ→α₂+γ，室温下组织为α₂+γ。凝固过程中L相冷却时首先生成的α 晶体形成明显的柱状晶组织，而后续形成的γ片层垂直于α相的柱状晶生长的方向，导致铸态组织具有明显的各向异性，铸件各部位性能差异明显。

为了解决α相凝固时钛铝合金的组织均匀性和性能较差的问题，可以在上述Al含量的γ-TiAl合金中添加适量的β稳定元素如Nb、Zr、Hf等，使Ti-Al合金相图中的β相区向右移动，实现β相凝固；或者调整Al含量的取值范围，使γ-TiAl合金中Al含量约为44 at %或以下，以实现β相凝固，但如果Al含量过低则粗大的β相增加导致塑性很差。β相凝固路线如下：L（液相）→L+β→β→α+β→α→α+γ→α₂+γ，室温下组织为α₂+γ,如Ti-44Al-0.2B合金。但当γ-TiAl合金中含有一定含量的β稳定元素时，β相凝固路线为：L（液相）→L+β→β→α+β→α+βm→α+γ+βm→α₂+γ+βm，室温下组织为α₂+γ+βm（βm为亚稳β相）, 如Ti-44Al-5Nb-0.2B合金。β相凝固过程中，由于β晶粒中可以形成12个完全不同方向的α变体，最终在每个β晶粒中得到取向完全不同的板条团，该组织各向异性很小，各部位力学性能基本一致。

在钛-铝二元合金相图上，当Al含量高于44 at %左右时，γ-TiAl合金凝固过程中将发生包晶反应L+β→α，凝固路线为：L（液相）→L+β→β+α→α→α+γ→α₂+γ或L→L+β→L+α→α→α+γ→α₂+γ。含包晶反应的钛铝合金凝固过程中，包晶反应发生在β相和液相界面处，当α相从液相处开始形核，如前所述将使铸态组织具有明显的各向异性；当α相从β相处开始形核，将得到取向完全不同的较粗大板条团，该组织各向异性很小。经国内外多年研究和测试，经过包晶反应的γ-TiAl合金可以在实际应用，但凝固后铸件成分的均匀性较经β相凝固的γ-TiAl合金要差。

专利US6051084指出Nb可以极大地改善钛铝合金的抗氧化性能，提高合金的高温强度及蠕变性能，当Nb含量为6~10%时合金均具有较好的抗氧化性能。中科院金属所R.Yang教授等，在《Alloy development and shell mould casting of gamma TiAl》（Journal of materials processing technology[J], 2003,135：179-188） 中研究了2 at %Nb、5 at %Nb、8 at %Nb分别对γ-TiAl合金抗氧化性能和抗热疲劳性能的影响，得出Nb含量为5 at %时抗氧化性能、抗热疲劳性能较8 at %Nb时更好；当Nb含量为2 at %时钛铝合金抗热疲劳性能最好。

干勇、田志凌等在《中国材料工程大典（第2卷上）》（化学工业出版社，2006:817）中指出，Cr可以提高细晶合金的塑性和强度，且不降低钛铝合金的抗氧化性能。专利US6294132指出Ni可以提高β相的蠕变抗力、增加合金内部的摩擦和提高抗震性能；Si可以提高钛铝合金的高温强度和蠕变强度，并可以提高合金的抗氧化性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种耐高温钛铝基合金材料，该合金属于γ-TiAl合金，既有良好的室温塑性，又有良好的铸造流动性，适合薄壁零件的铸造，如汽车发动机涡轮增压器的涡轮转子；从而克服现有的钛铝合金材料的室温塑性和铸造流动性能非常差，不便于钛铝零件的产业化铸造的技术问题。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种室温塑性及铸造流动性能优异的钛铝基合金，材料代号Ti48Al2Cr2Ni，属于γ-TiAl合金，具体化学成分原子百分比组成为：Al：44.0-48.0 at%、Cr：0.5-3.0 at%、Ni：0.2-3.0at%、Si：0-0.8 at%，其余为Ti 及不可避免的杂质元素。

所述的室温塑性及铸造流动性能优异的钛铝基合金，优选的化学成分原子百分比组成可以是：Al：46.0-48.0 at%、Cr：1.5-2.5 at%、Ni：1.5-2.5 at%，其余为Ti 及不可避免的杂质元素。进一步优选的化学成分原子百分比组成是：Al：47 at%、Cr：2.0 at%、Ni：2.0 at%，其余为Ti 及不可避免的杂质元素。

所述的室温塑性及铸造流动性能优异的钛铝基合金，优选的化学成分原子百分比组成还可以是：Al：44.0-48.0 at%、Cr：0.5-3.0 at%、Ni：0.2-3.0at%、Si：0.2-0.8 at%，其余为Ti 及不可避免的杂质元素。进一步优选的化学成分原子百分比组成是：Al：44-47 at%、Cr：0.5-2.0 at%、Ni：2.0-3.0 at%，Si：0.4-0.8 at%，其余为Ti 及不可避免的杂质元素。最优选的化学成分原子百分比组成是：Al：47 at%、Cr：2.0 at%、Ni：2.0 at%、Si：0.4 at%，其余为Ti 及不可避免的杂质元素。

本发明的室温塑性及铸造流动性能优异的钛铝基合金的制备方法是：采用海绵钛或其它纯钛料、AlCr合金、纯Ni、纯Al、AlSi合金或纯Si作为原料，或者其他能够使合金的最终组成符合比例要求的原料，在真空自耗电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼并浇铸成型；浇铸成型时可以对钛铝合金铸锭进行真空熔炼后浇铸或进行充氩熔炼后浇铸。所述真空熔炼后浇铸是指铸锭真空熔炼前需要预抽一定的真空，并待钛铝合金液体完全熔化后方可浇铸成型；所述充氩熔炼后浇铸是指充氩熔炼前炉内需要预抽一定的真空度，之后充入氩气到一定压力后进行熔炼，并待钛铝合金液体完全熔化后方可浇铸成型。上述发明材料的制备方法，感应炉熔炼钛铝合金铸锭时需要熔炼两次以上以保证材料的均匀性；所述真空自耗电极电弧凝壳炉浇铸用钛铝合金铸锭的制备方法为：首先挤压钛铝合金电极，之后在真空自耗电极电弧炉中熔炼成钛铝合金铸锭。

上述钛铝基合金的制备方法，充氩熔炼前炉内需要预抽一定的真空度，一般要求使真空度在3.5Pa以下。上述钛铝基合金的制备方法，所述的充入氩气到一定压力，一般要求氩气压力为60000 Pa以上。

这些技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

本发明专利放弃了对Nb元素的选用。虽然Nb可以极大地改善钛铝合金的抗氧化性能，提高合金的高温强度及蠕变性能，但随着Nb含量的增大，钛铝合金材料熔炼浇注过程中的流动性能会随之降低。因此，含Nb的钛铝合金不利于薄壁零件的浇注成型。同时，Nb原料价格高昂，本发明材料可以大大降低材料的成本。

Cr可以提高钛铝合金的室温延伸率，同时适量的Cr不会降低钛铝合金的抗氧化性能。本专利材料中通过添加适量的Cr提高了钛铝零件的室温加工性能，但当Cr含量过高时材料的延伸率会恶化，含量过低时对提高材料的延伸率不明显。

通过添加适量的Ni有利于改善材料的铸造流动性能，同时提高蠕变性能、增加合金内部的摩擦和提高抗震性能，如果Ni含量过高会使材料的铸造流动性能显著降低，Ni含量过低则对材料的铸造流动性能提高不明显。

添加适量的Si可以改善材料的铸造流动性能，同时提高钛铝合金的蠕变强度和抗氧化性能，但当Si含量过高时材料的铸造流动性能显著降低，Si含量过低则对材料的铸造流动性能提高不明显。

考虑到B元素可以显著细化γ-TiAl合金的晶粒尺寸，但含B的TiAl合金铸造显微组织中易出现1mm以上的大晶粒，在需要承载较大应力的零件中，B化物常导致零件的过早断裂失效。因此，本专利中未添加晶粒细化元素B。

通过机理与实验分析，得出钛铝合金中不同元素及含量对材料力学性能及铸造流动性能的影响规律，本发明的钛铝合金材料代号为Ti48Al2Cr2Ni，具体的含量范围为：Ti- (44-48at%)Al-(0.5-3.0at%) Cr -(0.2-3.0at%) Ni -(0-0.8 at%)Si。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明提供的一种钛铝基合金材料，该合金属于γ-TiAl合金，既有良好的室温塑性，又有良好的铸造流动性，适合薄壁零件的铸造，如汽车发动机涡轮增压器的涡轮转子。其长期使用温度在800-850℃，在此温度下钛铝表面无需进行化学处理、热喷涂、离子注入等提高材料的抗氧化性能。特别适合于铸造使用温度较汽油发动机稍低的700-800℃以下工作的柴油发动机增压器涡轮转子，具有巨大的市场前景。

具体实施方式

实施例1

制备过程中采用海绵钛、AlCr50合金、纯Ni、纯Al作为原料，配制钛铝合金Ti-48Al-3.0Cr-0.2Ni（at%）。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次，每次熔炼前将铸锭方向对调，然后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能及浇铸充型率见表1所示。

实施例2

制备过程中采用海绵钛、AlCr50合金、纯Ni、纯Al作为原料，配制钛铝合金Ti-44Al-0.5Cr-3.0Ni（at%）。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次，每次熔炼前将铸锭方向对调，然后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能及浇铸充型率见表1所示。

实施例3

制备过程中采用海绵钛、AlCr50合金、纯Ni、纯Al作为原料，配制钛铝合金Ti-47Al-2.0Cr-2.0Ni（at%）。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次，每次熔炼前将铸锭方向对调，然后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能及浇铸充型率见表1所示。

实施例4

制备过程中采用海绵钛、AlCr50合金、纯Ni、纯Al作为原料，配制钛铝合金Ti-48Al-2.5Cr-1.5Ni（at%）。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次，每次熔炼前将铸锭方向对调，然后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能及浇铸充型率见表1所示。

实施例5

制备过程中采用海绵钛、AlCr50合金、纯Ni、纯Al作为原料，配制钛铝合金Ti-46Al-1.5Cr-2.5Ni（at%）。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次，每次熔炼前将铸锭方向对调，然后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能及浇铸充型率见表1所示。

实施例6

制备过程中采用海绵钛、AlCr50合金、纯Ni、纯Al、AlSi10合金作为原料，配制钛铝合金Ti-47Al-2.0Cr-2.0Ni-0.4Si（at%）。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次，每次熔炼前将铸锭方向对调，然后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能及浇铸充型率见表1所示。

实施例7

制备过程中采用海绵钛、AlCr50合金、纯Ni、纯Al、AlSi10合金作为原料，配制钛铝合金Ti-44Al-0.5Cr-3.0Ni-0.8Si（at%）。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次，每次熔炼前将铸锭方向对调，然后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能及浇铸充型率见表1所示。

实施例8

制备过程中采用海绵钛、AlCr50合金、纯Ni、纯Al、AlSi10合金作为原料，配制钛铝合金Ti-48Al-3.0Cr-0.2Ni-0.2Si（at%）。在真空感应炉中预抽真空度3.5Pa，之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次，每次熔炼前将铸锭方向对调，然后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。

经测试钛铝合金室温性能及浇铸充型率见表1所示。

表1 本发明专利钛铝合金材料的室温、高温性能及铸造充型性

注：表1的浇铸涡轮：叶片尖端厚度约为0.4mm，涡轮直径40mm，每次测试涡轮数量20件。