CN112063885A - 一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金 - Google Patents
一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112063885A CN112063885A CN202010768843.1A CN202010768843A CN112063885A CN 112063885 A CN112063885 A CN 112063885A CN 202010768843 A CN202010768843 A CN 202010768843A CN 112063885 A CN112063885 A CN 112063885A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- content
- tial
- ruthenium
- tial alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
- C22B9/16—Remelting metals
- C22B9/20—Arc remelting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明公开了一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金,该合金由Al、Nb、Cr、Ru和Ti元素组成,其中Al的含量为47~49at.%,Nb为4.0at.%,Cr为2.0at.%,Ru为0.3~1.0at.%,其余为Ti,该合金通过铸锭冶炼方式获得。与Ta,Nb及Cr等常见的合金化元素不同,除固溶强化外,由于Ru元素的固溶度较低。因此,本发明在微量添加Ru的情况下即可析出细小的τ1相颗粒,形成第二相强化,进而提高其服役温度至800℃。
Description
技术领域
本发明提供了一种适用于800℃的含钌(Ru)多组元TiAl合金,属于轻质高温结构材料领域。
背景技术
TiAl合金由于具有低密度、高比强度、低膨胀系数和良好的高温力学及抗氧化性能等优点,被认为是极具应用前景的轻质耐高温结构材料,其使用温度超过钛合金使用温度上限(600℃)。目前,TiAl合金已成功应用到飞机发动机、汽车与坦克涡轮增压器等关键部件,例如:美国GE公司开发的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金(原子百分比,下同)低压涡轮叶片已成功在GEnxTM发动机中飞行服役。装配有锻造TNM合金发动机叶片的空客A380客机已于2014年顺利完成首飞。此外,TiAl合金涡轮增压器也成功应用于方程式赛车和高端轿车的发动机。我国的钢铁研究总院所研发的Ti-48Al-2.5V-1Cr合金已在新型坦克车辆的增压涡轮上取得了初步应用。西北工业大学在ZL201410598345.1的专利中设计了一种高Al中Nb含量的铸造γ-TiAl合金,该合金具有偏析少,热裂倾向小的优点,有望用于发动机低压涡轮叶片和涡轮增压器等耐热结构部件。但是,上述TiAl合金的服役温度均低于750℃且面临室温塑性差、断裂韧性较低等诸多问题。
大量的研究表明,通过多组元合金化,调整TiAl合金的凝固路径、凝固组织以及析出相形貌,是提高TiAl合金综合力学性能和服役温度的有效手段之一。Nb元素可显著提高TiAl合金的强度、蠕变抗力及抗氧化性能。Cr元素可以增强γ相的c/a值而提升合金的室温塑性。Ta元素可细化凝固组织,且经过后期热处理可获得综合力学性能优良的细晶全片层组织。
自上世纪80年代末,科研工作者便将贵金属Ru元素视为有潜力的TiAl合金化元素之一并开展了初步研究。但是,前人对含Ru-TiAl合金的工作主要集中在Ti-Al-Ru三元合金体系中,但三元合金体系一般不具备工程应用价值。
为了进一步提高TiAl合金的服役温度,促进TiAl合金的工程应用,申请人拟在多组元TiAl中添加微量的Ru元素。目前为止,尚未见通过添加微量Ru元素来提高多组元TiAl合金服役温度的报道。
发明内容
本发明的目的在于满足新型TiAl合金高强和高服役温度的要求,并提供了一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金。本发明通过微调元素含量并添加Ru元素,以保证合金在具有良好的铸造性能的同时,获得良好的抗氧化性能和高温强度,进而提升合金的服役温度。
本发明所采用的具体技术方案如下:
一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金,它由Al、Nb、Cr、Ru和Ti元素组成,其中Al的含量为47~49at.%,Nb为4.0at.%,Cr为2.0at.%,Ru为0.3~1.0at.%,其余为Ti,该合金通过铸锭冶炼方式获得。at.%表示原子百分比。
作为优选,合金的凝固路径根据Al和Ru含量的比例,可为亚包晶、包晶或过包晶凝固;
作为优选,所述的铸锭冶炼方式为真空非自耗熔炼或电磁冷坩埚悬浮熔炼。
作为优选,所述合金的成分为Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru、Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru或Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru。
本发明的另一方面,提供了一种提高多组元TiAl合金服役温度的方法,所述TiAl合金组分为Ti-48Al-4Nb-2Cr,该方法的做法是向TiAl合金中掺入Ru元素。
作为优选,Ru的掺入量为0.3~1.0at.%,合金服役温度不低于800℃。
本发明相对于现有技术而言,具有以下有益效果:
本发明与Ta,Nb及Cr等常见的合金化元素不同,除固溶强化外,由于Ru元素的固溶度较低,因此,在微量添加的情况下即可析出细小的τ1相颗粒,形成第二相强化,进而提高其服役温度至800℃。此外,微量元素的添加有助于材料减重并节省成本。对Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru与Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru合金进行800℃拉伸测试以及800℃等温抗氧化性能测试。结果表明,添加Ru元素后,合金的抗氧化性能均达到完全抗氧化标准,同时合金的高温性能得到明显提升。
附图说明
图1是Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru合金的铸态组织SEM图片。
图2是Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru合金的铸态组织SEM图片。
图3是Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru合金的铸态组织SEM图片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
本发明提供了一种具有较高服役温度的含钌多组元TiAl合金,它由Al、Nb、Cr、Ru和Ti元素组成,其中Al的含量为47~49%,Nb为4.0%,Cr为2.0%,Ru为0.3~1.0%,其余为Ti。上述百分比均为原子百分比(at.%)。当然,还合金中可能含有极微量的杂质。该合金通过铸锭冶炼方式获得,其服役温度可达到800℃。
该合金的凝固路径根据Al和Ru含量的比例,可为亚包晶、包晶或过包晶凝固。合金中Ru含量范围包括了固溶度以下和以上的范围(Ru元素固溶度<1.0%)。Ru完全固溶可使显微组织均匀,产生固溶强化并增强γ相正方性而提升塑性;而超过固溶度会促使脆性B2和τ1相析出而劣化性能,但可通过后期组织调控形成第二相强化,进而增强综合性能。合金中各元素含量可根据合金设计要求,如凝固路径,析出相类别与尺寸、服役温度以及侧重的性能指标,来进行选择。
该含Ru多组元TiAl合金的显微组织主要由γ,α2,B2和τ1四相构成。制备合金所采用的铸锭冶炼方式包括但不限于真空非自耗熔炼、电磁冷坩埚悬浮熔炼等。
下面通过若干实施例,对本发明的技术效果进行详细说明。
实施例1
本实施例合金的成分为Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru合金,具体实施方法如下:(1)将海绵钛、高纯铝、铝铬中间合金、铝铌中间合金和高纯钌粉按配比称取;(2)将步骤1中称取的原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中;(3)每次熔炼完毕后翻面继续熔炼,反复4次,确保成分均匀性。Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru合金的铸态组织SEM照片如图1所示,其主要由α2/γ片层团构成,在片层团边界及内部有富Ru的B2相及细小颗粒状的τ1相析出。这些细小的τ1相可作为第二相颗粒强化合金。
实施例2
本实施例合金的成分为Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru合金,具体实施方法如下:(1)将海绵钛、高纯铝、铝铬中间合金、铝铌中间合金和高纯钌粉按配比称取;(2)将步骤1中称取的原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中;(3)每次熔炼完毕后翻面继续熔炼,反复4次,确保成分均匀性。Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru合金的铸态组织SEM照片如图2所示,其主要由α2/γ片层团构成,因合金化元素完全固溶,在片层团边界及内部未见实施例1中的析出相。
实施例3
本实施例合金的成分为Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru合金,具体实施方法如下:(1)将海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金和高纯钌粉按配比称取;(2)将步骤1中称取的原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中;(3)每次熔炼完毕后翻面继续熔炼,反复4次,确保成分均匀性。Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru合金的铸态组织SEM照片如图3所示,与实施例1类似,其组织主要由α2/γ片层团构成,在片层团边界及内部有富Ru相析出,但其含量明显比实施例1所述合金低。
未添加Ru元素的Ti-48Al-4Nb-2Cr合金,其服役温度在750℃以下,将其与本发明上述三个实施例所制备的合金进行对比发现,本发明制备的合金具有良好的力学性能,其与Ti-48Al-4Nb-2Cr合金在800℃拉伸性能如表1。从结果中可以发现,Ru元素的添加可使TiAl合金800℃拉伸性能提升至40%。因此,本发明所述合金的最高使用温度为800℃,若后续进行组织优化,有望进一步提升高温性能。
本发明上述三个实施例所制备的合金具有优良的抗氧化性能,其800℃100h抗氧化测试结果及根据标准HB5258-2000的判定等级如表2。虽然,Mwamba等人认为低于1%的Ru含量可显著劣化TiAl合金的抗氧化性[Mwamba L,Cornish L A,Lingen E VD.Microstructural,mechanical,and oxidation property evolution of gamma-TiAlalloy with addition of precious metals[J].Journal-South African Institute ofMining and Metallurgy,2011,112(112):517-526.],但是从实验结果来看,由于多组元的综合改性作用,本发明所述的含Ru多组元TiAl合金仍然处于完全抗氧化级,完全满足800℃服役要求。
表1各合金的800℃拉伸性能
表2各合金的800℃100h抗氧化性能
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金,其特征在于,由Al、Nb、Cr、Ru和Ti元素组成,其中Al的含量为47~49at.%,Nb为4.0at.%,Cr为2.0at.%,Ru为0.3~1.0at.%,其余为Ti,该合金通过铸锭冶炼方式获得。
2.如权利要求1所述适用于800℃的含钌多组元TiAl合金,其特征在于,合金的凝固路径为亚包晶、包晶或过包晶凝固。
3.如权利要求1所述适用于800℃的含钌多组元TiAl合金,其特征在于,所述的铸锭冶炼方式为真空非自耗熔炼或电磁冷坩埚悬浮熔炼。
4.如权利要求1所述适用于800℃的含钌多组元TiAl合金,其特征在于,所述合金的成分为Ti-48Al-4Nb-2Cr-1.0Ru、Ti-47Al-4Nb-2Cr-0.5Ru或Ti-48Al-4Nb-2Cr-0.3Ru。
5.一种提高多组元TiAl合金服役温度的方法,所述TiAl合金组分为Ti-48Al-4Nb-2Cr,其特征在于,向TiAl合金中掺入Ru元素。
6.如权利要求5所述提高多组元TiAl合金服役温度的方法,其特征在于,Ru的掺入量为0.3~1.0at.%,合金服役温度不低于800℃。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010768843.1A CN112063885B (zh) | 2020-08-03 | 2020-08-03 | 一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010768843.1A CN112063885B (zh) | 2020-08-03 | 2020-08-03 | 一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112063885A true CN112063885A (zh) | 2020-12-11 |
CN112063885B CN112063885B (zh) | 2021-12-14 |
Family
ID=73656921
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010768843.1A Active CN112063885B (zh) | 2020-08-03 | 2020-08-03 | 一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112063885B (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113416879A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-09-21 | 西南交通大学 | 一种钛铝合金及其制备方法 |
CN116043063A (zh) * | 2022-12-02 | 2023-05-02 | 哈尔滨工业大学 | 一种利用共析组织提高合金强度和塑性的方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61113741A (ja) * | 1984-11-09 | 1986-05-31 | Hitachi Ltd | 高強度耐食ニツケル基合金およびその製造法 |
CN105349852A (zh) * | 2015-10-28 | 2016-02-24 | 无棣向上机械设计服务有限公司 | 高强度铝合金 |
CN106987754A (zh) * | 2017-05-03 | 2017-07-28 | 西北工业大学 | 一种适用于800℃的铸造γ‑TiAl合金 |
-
2020
- 2020-08-03 CN CN202010768843.1A patent/CN112063885B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61113741A (ja) * | 1984-11-09 | 1986-05-31 | Hitachi Ltd | 高強度耐食ニツケル基合金およびその製造法 |
CN105349852A (zh) * | 2015-10-28 | 2016-02-24 | 无棣向上机械设计服务有限公司 | 高强度铝合金 |
CN106987754A (zh) * | 2017-05-03 | 2017-07-28 | 西北工业大学 | 一种适用于800℃的铸造γ‑TiAl合金 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113416879A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-09-21 | 西南交通大学 | 一种钛铝合金及其制备方法 |
CN116043063A (zh) * | 2022-12-02 | 2023-05-02 | 哈尔滨工业大学 | 一种利用共析组织提高合金强度和塑性的方法 |
CN116043063B (zh) * | 2022-12-02 | 2024-06-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种利用共析组织提高合金强度和塑性的方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN112063885B (zh) | 2021-12-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110512116B (zh) | 一种多组元高合金化高Nb-TiAl金属间化合物 | |
CN112593131B (zh) | 一种高强高塑高屈强比镁锂合金及其制备方法和应用 | |
CN101509091A (zh) | 一种高强高韧Al-Zn-Mg-Cu-Sr合金及制备方法 | |
CN104532056A (zh) | 一种高温钛合金及其制备方法 | |
CN112063885B (zh) | 一种适用于800℃的含钌多组元TiAl合金 | |
CN115261686B (zh) | 3d打印铝镁合金粉末及其制备方法与应用 | |
CN110129629B (zh) | 耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金及重力铸造制备 | |
US20230272509A1 (en) | Aluminum alloy and component part prepared therefrom | |
CN114214532B (zh) | 一种精确控制亚稳组织稳定化实现γ-TiAl合金细化的方法 | |
CN114182141A (zh) | 新型高强韧耐热铝硅铸造合金 | |
CN109852859B (zh) | 适于重力铸造的高强韧耐热Mg-Y-Er合金及其制备方法 | |
CN109536776B (zh) | 一种耐热钛合金及其制备方法 | |
CN114438383A (zh) | 一种多级金属间化合物强化耐热合金及其制备方法 | |
CN105886854A (zh) | 降低Fe中间相危害及其高力学性能含钪、锆的A356铸造合金的制备方法 | |
CN113462930A (zh) | 一种压力铸造铝合金及其制备方法 | |
CN109161767B (zh) | 一种含w相的抗蠕变性能镁合金及其制备方法 | |
EP1257680B1 (en) | Iron base high temperature alloy | |
WO2015182454A1 (ja) | TiAl基鋳造合金及びその製造方法 | |
CN109182865B (zh) | 一种高强度稀土-镁合金材料及其制备方法 | |
CN112795811A (zh) | 一种以多晶多相强化的耐热钛合金及其制备方法 | |
CN113755727B (zh) | 一种耐热铝基复合材料及其制备方法 | |
WO2017123186A1 (en) | Tial-based alloys having improved creep strength by strengthening of gamma phase | |
CN113718144B (zh) | 一种高塑性高弹性模量铝-硅系铸造合金及其制法与应用 | |
CN103966494A (zh) | 一种含钙与稀土的高耐热镁铝合金 | |
CN102952968A (zh) | 一种颗粒强化的耐热钛合金 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |