一种高温性能和铸造性能优异的低成本钛铝基合金

摘要

本发明介绍了一种高温性能和铸造性能优异的低成本钛铝基合金，其特征是：合金的具体化学成分的原子百分比组成为：Ti-(44.0~48.0)Al-(0.5~2.0)Cr-(0.5-2.0)V-(0.1-0.7)C，其余为不可避免的杂质元素。本专利材料较Ti-46.5Al-1Cr-2.5V合金材料具有更加优良的高温抗蠕变、抗氧化性能，以及更低的成本；且具有与Ti-46.5Al-1Cr-2.5V合金相当的铸造流动性能，适合于铸造在850-900℃下长期使用的钛铝涡轮等汽车零部件，具有巨大的市场前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温合金领域技术，特别是一种高温性能和铸造性能优异的低成本钛铝基合金。

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。

从钛铝二元相图分析，当Al含量高于51at%时，钛铝合金铸造过程中凝固路线为γ相凝固，凝固后的钛铝合金处于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两相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。

早期在钛铝合金制备过程中α相凝固路线研究很多。钛铝二元相图显示，当Al含量高于49.4 at%，低于51at%时，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）→L+α→α→α+γ→γ→α₂+γ，室温下组织为α₂+γ。凝固过程中L相冷却时首先生成固相α， α晶体将择优沿其c轴生成，从而形成明显的柱状晶体特征，而后续形成的γ片层垂直于α相c轴方向（即柱状晶体生长方向），最终形成明显的树枝晶组织，从而影响凝固后铸件性能的均匀性。

钛-铝二元合金相图，当Al含量在44.8-49.4 at %区间时，γ-TiAl合金凝固过程中将发生包晶反应：L+β→α。当Al含量位于44.8-47.0%时，包晶反应不完全，凝固路线为：L→L+β→β+α→α→α+γ→α₂+γ；当Al含量位于47.0-49.4%时，包晶反应不完全，凝固路线为：L→L+β→L+α→α→α+γ→γ→α₂+γ。当Al含量为47.0%时，包晶反应进行完全，凝固路线为：L→L+β→α→α+γ→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。包晶反应进行不完全时会一定程度上影响材料成分的均匀性。国内外经多年研究和测试，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。

当Al含量小于44.8at%，钛铝合金材料为β相凝固，凝固路线为：L→L+β→β→β+α→α→α+γ→α₂+γ。β相凝固具有最好的成分均匀性；β相凝固过程中，由于β晶体中可以形成12个完全不同方向的α变体，最终得到取向完全不同的板条团，凝固后组织各向异性很小，各部位力学性能基本一致。但当Al含量过低时，导致凝固后组织α₂+γ中α₂相含量过高，影响材料的耐高温性能。在γ-TiAl合金中添加适量的β稳定元素如Nb、Zr、Hf，可以使Ti-Al合金相图中的β相区向右移动，从而实现β相凝固。

钛铝合金材料开发方面，早在80年代初期，日本NAT RES INST METALS公司就开始开发钛铝合金材料，并成功申请了专利保护，专利公开号为JP58123847 ，该钛铝基材料含有0.5-50wt% Ag，不含有改善高温性能的主要元素Nb。从80年代初期至今，国内外先后开发了几十种不含Nb元素的钛铝合金材料。这类钛铝合金材料的主要研究单位是日本，有DAIDO STEEL CO LTD、NIPPON STEEL CORP等七余家主要公司。这类钛铝材料未包含一定含量的可以显著改善高温抗氧化和蠕变性能的元素（如Nb元素），因此长期使用的工作温度偏低，约为800℃左右。截止目前，这类材料中未见具体的实际工程批量应用的钛铝合金。

从材料的使用温度分析，以上钛铝合金专利材料适合于在柴油发动机上进行推广应用，因为柴油机的工作温度较低（通常≤800℃）。但由于柴油机对钛铝材料零部件的需求并不迫切，且绝大部分钛铝合金材料不适合于铸造等，因而限制了国内外该类材料的推广应用。具有更大批量的汽油发动机需求钛铝材料零部件（如涡轮部件）来改善发动机的加速性能，大部分汽油机长期使用条件下的工作温度为：≤900℃，但该类材料难以满足汽油发动机的使用要求。虽然当今出现了较多的添加Nb元素的钛铝基合金，提高了材料的长期使用温度，但由于添加Nb元素会显著降低材料的铸造性能，使流动性本来就非常差的钛铝合金材料的铸造性能进一步恶化，难以成型薄壁钛铝铸件；同时大幅增加Nb元素价格昂贵，会显著增加材料的成本。

国内在未添加Nb元素的钛铝合金材料的研究单位有北京钢铁研究总院和东北大学，研发的材料较单一。东北大学材料专利材料Ti-(48-52)Al-(3-5)Cr-(2-3)Ag- (0.001～0.03)B，专利公开号CN1546704，未见工程化测试的报道。北钢院研发的主要材料为Ti--(30-34wt%）Al--(1.0-6.0wt%）Cr--（1.0-6.0wt%）V--（0.001-0.5wt%）Mg材料，目前研究及测试最多的成分为Ti-46.5Al-1Cr-2.5V（at%）合金（命名为TAC-2），经柴油发动机装机测试，该材料可在800℃下长期使用，材料的铸态和变形组织均具有良好的室温和高温综合力学性能，不足的是该材料的高温抗氧化性能和抗蠕变性能较差，难以在850-900℃下长期使用。TAC-2材料含有较多的V元素（2.5at%），V元素的增加会使材料高温抗氧化性能和蠕变性能有所降低，而且V元素价格昂贵，会较大幅度增加了材料的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高温性能和铸造性能优异的低成本钛铝基合金，性能更加优越，且适合于工程化大批量，适合于制备在850-900℃下可以长期使用的钛铝零部件材料。

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：

本发明的一种高温性能和铸造性能优异的低成本钛铝基合金，具体化学成分的原子百分比组成为： Ti-(44.0~48.0 )Al-(0.5~2.0)Cr-(0.5-2.0)V-(0.1-0.7)C，其余为不可避免的杂质元素。

所述的高温性能和铸造性能优异的低成本钛铝基合金，优选的化学成分原子百分比组成为：Al优选45.0-47.0 at%；Cr优选0.5-1.5 at%；V可以优选1.0-2.0 at%；C优选0.2-0.6 at%。

所述的高温性能和铸造性能优异的低成本钛铝基合金，进一步优选的化学成分原子百分比组成为：Al优选46 at%；Cr优选1.0 at%；V优选1.5 at%；C优选0.3 at%。

本专利材料在现有Ti-46.5Al-1Cr-2.5V合金（TAC-2）材料的基础上进行进一步的改进，添加了一定含量的C元素，同时降低了材料中的V含量，材料体系发生了根本的变化，由之前四元钛铝合金变为新的五元钛铝合金。本专利材料打破了钛、钛合金及钛铝合金行业内将C元素视为杂质元素，不能作为合金元素的传统观念，通过实际反复测试，添加适量的C元素作为合金元素，可以显著细化材料的层片间距，提高材料的抗高温蠕变性能，提高材料的室温、高温强度和硬度。通过降低V含量，材料的高温抗氧化性能会较TAC-2材料得以提高；同时降低V含量有利于降低材料成本。

当Cr元素含量低于下限时，对提高材料的室温塑性效果不明显，当含量高于上限时，对材料的铸造流动性能有较大的影响。V元素含量低于下限时，不利于材料强度的提高，当含量高于上限时，会降低材料高温抗氧化性能和进一步提高材料的成本。C含量低于下限时，显微结构中的层片细化作用不明显，起不到提高高温蠕变性能和提高强度的作用，当含量高于上限时，会明显降低材料的铸造性能。

这些技术方案，包括优选的各个元素原子百分比以及更优选的各个元素原子百分比也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

本发明的钛铝材料均采用海绵钛、纯Al、AlCr50合金、AlV55合金、纯C粉作为原料，在真空感应炉中熔炼并浇铸涡轮模壳。浇铸用钛铝铸锭的熔炼方法为：首先抽真空至3.5Pa，对合金材料的原材料进行充氩熔炼，氩气压力为60000 Pa，全部熔化完成后继续搅拌2分钟，钛铝合金铸锭反复熔炼2次。涡轮模壳的浇铸工艺为：预抽真空度3.5Pa, 钛铝铸锭全部熔化完成后继续搅拌2分钟后浇铸涡轮模壳。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本专利材料较Ti-46.5Al-1Cr-2.5V合金材料具有更加优良的高温抗蠕变、抗氧化性能，以及更低的成本。同时，专利材料具有与Ti-46.5Al-1Cr-2.5V合金相当的铸造流动性能。新发明的材料非常适合于铸造在850-900℃下长期使用的钛铝涡轮等汽车零部件，具有巨大的市场前景。

具体实施方式

实施例：

本发明的钛铝材料均采用海绵钛、纯Al、AlCr50合金、AlV55合金、纯C粉作为原料，在真空感应炉中熔炼并浇铸涡轮模壳和附铸试棒。浇铸用钛铝铸锭的熔炼方法为：首先抽真空至3.5Pa，对低成本钛铝基合金的原材料进行充氩熔炼，氩气压力为60000 Pa，全部熔化完成后继续搅拌2分钟，钛铝合金铸锭反复熔炼2次。涡轮模壳的浇铸工艺为：预抽真空度3.5Pa, 钛铝铸锭全部熔化完成后继续搅拌2分钟后浇铸涡轮模壳和附铸试棒。

本发明的实施例1--实施例6的试验结果如下表1所示。

表1

备注：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。

材料成本：按目前AlV55中间合金平均市场行情200元/KG计算，本发明的典型材料Ti46.5Al1Cr1.0V、Ti46.5Al1Cr1.5V材料成本较Ti46.5Al1Cr2.5V材料成本分别降低5.5元/KG、3.7元/KG，效益明显。