[发明专利]具有过包晶凝固特征的抗热裂型中铌铸造TiAl合金

说明书

技术领域

本发明涉及高温结构材料领域，是一种适用于轻质高温结构的抗热裂性良好的铸造钛铝(TiAl)合金。

技术背景

γ-TiAl合金具有低密度，高的比强度和比弹性模量，良好的抗氧化和抗蠕变性能等优点，使其成为制造高推重比先进飞机发动机高压压气机叶片、低压涡轮叶片、汽车增压涡轮等轻质耐热结构件最具竞争力的材料。

从第一代TiAl基合金(Ti-48Al-1V(at.％))到第二代TiAl基合金(Ti-48Al-2Nb-2Cr(at.％))，再到第三代TiAl基合金(K5)直至未来将服役于800–900℃的高温TiAl基合金，TiAl合金成分与性能一直是人们关注的焦点。但是，由于现有的TiAl合金中加入了较多的β稳定化元素，导致其铸造组织偏析明显，加上TiAl合金本身具有的室温本征脆性，使其铸锭和铸件在冷却过程中，在韧脆转化温度附近易出现热裂，且热裂裂纹特别容易在偏析组织的界面上扩展，从而导致铸锭和铸件开裂。严重制约了TiAl合金铸锭和铸件特别是大尺寸铸锭和铸件的制造成功率。现有研究表明，凝固组织特征和合金的凝固路径与其合金成分密切相关，通过调配合金成分获得合理的凝固组织特征将有助于减小铸锭和铸件的开裂趋向。

包晶合金按凝固路径，通常可分为：单一相凝固合金、亚包晶凝固合金和过包晶凝固合金(D.H.St.John,L.M.Hogan,A Simple Prediction of the Rate of the Peritectic Transformation,Acta,Metall,35,1987:172)。TiAl合金是典型的包晶合金，按照TiAl合金二元相图，目前的铸造TiAl合金也可分为：单一β凝固TiAl合金、亚包晶凝固TiAl合金和过包晶凝固TiAl合金，具体是：合金中铝当量含量低于β相最大固溶度点44.3at.％的合金为单一β相合金；合金中铝当量含量高于44.3at.％而低于包晶点铝含量47.3at.％的合金为亚包晶凝固合金；合金中铝当量含量高于47.3at.％的合金且低于α相最大固溶度点铝含量49.3at.％的合金为过包晶凝固合金。此外，依据文献：含Nb量在3～5at.％的合金为中铌TiAl合金(胡伟.Ti-45Al-2Mn-2Nb-0.8vol％TiB2和Ti-46Al-5Nb-0.5W-l.2B的热稳定性研究[D],西南交通大学硕士学位论文,2014:18)，含Nb量在5～10at.％的合金为高铌TiAl合金(Fritz Appel,Jonathan David Heaton Paul,Michael Oehring.Gamma Titanium Aluminides 2003,TMS,Warrendale,PA,P472)。

对于单一β凝固TiAl合金，其组织中存在明显的β偏析，且由于单相区中β相存在的温度区域宽，室温组织中易保留脆性的B2相或ω相甚至D8₈-ω相，铸锭易产生热裂。亚包晶凝固TiAl合金，其组织特征为β相树枝先析出并长大，结晶温度范围较宽，致使这类TiAl合金的糊状凝固特征多于逐层凝固特征。而且，对于亚包晶合金，由于包晶反应结束后没有残余液相，包晶反应不完全，致使β相不能完全消除，初生β相树枝晶组织残留于凝固组织中，且在这些初生β树枝晶上形成明显的“α包晶晕”(附图1)，使该类合金的凝固组织存在明显的枝晶偏析和凝固缺陷，从而造成合金铸造性能下降，开裂倾向较大。对于过包晶凝固TiAl合金，其初生β相在未长大或分化之前即被包晶反应产生的包晶相α所包围，由于过包晶成分合金β结晶温度范围小，初生β相尺寸小致使包晶α相尺寸小，且树枝状不明显。由于包晶反应完全，其枝晶边缘无“α包晶晕”。包晶反应后有残余液相，残余液相最终以α相生长。当其包晶反应完之后生成的包晶相含量和残余液相含量为1:1时，α相不明显分化成枝晶形态，而形成球状α枝晶，在后续α凝固过程中，α相的长大仍主要保持非枝晶化的特征。这种合金熔体铸造流动性良好，成分偏析小，大大减小了显微偏析和凝固缺陷出现的几率，铸锭不易产生热裂；Nb元素用于提高合金强度和抗氧化能力；Cr元素用于改善钛铝合金的热变形能力；B元素可以使合金凝固组织细小均匀；N元素可以细化合金组织，增加片层的强度及片层稳定性，从而抑制片层间的开裂。