[发明专利]一种钛镍铝基高温合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛镍铝基高温合金材料，是通过在钛镍铝合金中添加第四组元元素，来提高钛镍铝合金的屈服强度、断裂韧性和高温抗氧化性能的，一种新型高温合金材料。

背景技术

目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，应用在600℃以上的金属结构材料通常为镍基、铁基和钴基高温合金。这些材料具有较高的密度(一般在8.0g/cm³以上)，所制成的构件和设备重量大，为了减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，必须开发低密度、高强度的新型高温合金以适应相关工业领域未来发展的需要。

二元TiNi合金是一种具有优良力学性能、良好的耐蚀性和生物相容性的金属间化合物，作为形状记忆合金功能材料已经在医学、工业和生活等领域得到广泛的应用。专利CN1644733报道，在TiNi合金基础上，通过添加高纯度Al元素来提高合金的室温屈服强度和高温力学性能，这种合金的密度为6.3g/cm³，比镍基、铁基和钴基高温合金低20％左右。

对于TiNiAl-X系列合金，目前有专利CN1644731报道了添加Nb元素可以提高合金的600℃～800℃的抗氧化性能。专利CN1644732报道了添加Mo元素可以显著提高TiNiAl合金的室温和高温强度，开发出新型的低密度、高强度高温合金替代传统高温合金，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。目前，尚未见到高强度、高断裂韧性的TiNiAl-X系列四元高温合金的公开报道和专利申请。

发明内容

本发明的目的是提出一种低密度、高比强度、高断裂韧性TiNiAlX(X＝Cr、W、Ta、V、Co)高温合金材料，该TiNiAlX高温合金作为结构材料在高温使用，相比TiNiAl合金提高了屈服强度、断裂韧性和高温抗氧化性，可以替代传统的高密度镍基、铁基和钴基高温合金材料，减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗。

本发明的一种钛镍铝基高温合金材料，由43at％～50at％的镍(Ni)、2at％～6at％的铝(Al)和0.2at％～3at％的第四组元和余量的钛(Ti)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。第四组元是铬(Cr)、钨(W)、钽(Ta)、钒(V)或钴(Co)。

所述的钛镍铝基高温合金材料组份为Ti₄₄Ni₄₉Al₅Cr₂、Ti₄₄Ni₅₀Al₅W₁、Ti₄₄Ni₄₉Al₆Ta₁、Ti₄₅Ni₄₆Al₆V₃或者Ti₄₆Ni₄₇Al₄Co₃。

所述的钛镍铝基高温合金材料在18℃时的屈服强度为1100MPa～2500MPa，变形率大于10％，断裂韧性为20MPa·m^1/2～50MPa·m^1/2；在600℃～800℃时的屈服强度为1550MPa～350MPa；抗氧化性能为600℃～800℃静态空气中100小时氧化增重0.005mg/cm²～6.00mg/cm²；该钛镍铝基高温合金材料密度为5.50～6.50g/cm³。

一种制备发明钛镍铝基高温合金材料的方法，包括下列步骤：

(1)按TiNiAlX成分配比称取纯度为99.9％的钛(Ti)、纯度为99.9％的镍(Ni)、纯度为99.9％的铝(Al)纯度为99.9％的铬(Cr)、纯度为99.9％的钨(W)、纯度为99.9％的钽(Ta)、纯度为99.9％的钒(V)和纯度为99.9％的钴(Co)；

所述TiNiAlX成分中X表示第四组元中的任意一种元素，即Cr、W、Ta、V、Co元素；

(2)将上述称取的钛、镍、铝和第四组元中的一种元素，放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2700℃～3500℃熔炼成TiNiAlX锭材；