[发明专利]一种钛铝基多晶耐热钛合金及其制备方法

权利要求书

1.一种钛铝基多晶耐热合金，其特征在于，合金的化学组份以原子百分比表示为：

Ti+(44.0at.%或48.0at.%)Al+（6.0-9.0at.%）Nb+(0.2-0.6at.%)Ni +(0.06 -0.12at.%)Y+ (1.2 -3.5 at.%)A +(0.2-2.0at.%)M +(1.0-2.5at.%)N + ( 0.2- 0.8 at.%)Q+0.18at.% O

式中：A为铬（Cr）、锰（Mn）、钒（V）三种元素中的一种或者两种，选择两种元素时，每种元素的添加量均为0.5-1.8%，总量为1.2-3.5at.%；M为钨（W）、钼（Mo）、钽（Ta）三种元素中的一种或者两种，选择两种元素时，每种元素的添加量均为0.3-1.6%，总量为0.6-2.0at.%； N为锆（Zr）、硅（Si）两种合金元素中的一种或者两种，其中硅的含量为0.3-0.9at.%，锆的添加量为1.0-1.6at.%；Q为硼（B）和碳（C）中的一种或者两种，且两种元素的总添加量控制在0.3-0.8at.%；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛。

2.根据权利要求1所述的钛铝基多晶耐热合金，其特征在于，合金具体实施方案为（1）-（10）中的一种：

⑴含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+Ta）：0.6-2.0at.%；Zr：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛；

⑵含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Mn+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+Ta）：0.6-2.0at.%；Zr：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛；

⑶含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+W）：0.6-2.0at.%；Zr：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛；

⑷含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （W+Ta）：0.6-2.0at.%；Zr：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛；

⑸含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+Ta）：0.6-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.%；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛；

⑹含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Mn+V): 1.2 -3.5 at.%； Ta：0.2-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛；

⑺含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； Mo：0.2-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.% ；B：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛；

⑻含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.%；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Mn+V): 1.2 -3.5 at.%； Ta：0.2-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.% ；（B+C）：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.%；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛；

⑼含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； Ta：0.2-2.0at.%；（Zr+Si）：1.2-1.9at.% ；C：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.% ；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛；

⑽含有以下的成分： Al：44.0at.%或48.0at.% ；Nb：6.0-9.0at.%；Ni ：0.2-0.6at.%；Y ：0.06-0.12 at.%；(Cr+V): 1.2 -3.5 at.%； （Mo+Ta）：0.6-2.0at.%；Si：1.2-1.9at.% ；(B+C)：0.2- 0.8 at.%；O ：0.18at.%；合金中杂质总量不大于0.25%，余量为钛。

3.一种权利要求1所述的钛铝基多晶耐热合金的制备方法，其特征在于，合金的熔炼过程简述如下：

以0级海绵钛、电解铝锭、Al-80%V中间合金、Al-80%Mo中间合金、Ti-65%Mn中间合金、Ti-25%Si中间合金、Al-60%Cr中间合金、Al-10%B中间合金、Ti-C中间合金为原料，或者以铝热法生产CrBAl、CrAlSi、NbAlTiC中间合金为原料；在水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中熔化一次铸锭，以一次铸锭为原料，在真空等离子体-水冷炉床熔炼炉中进行二次熔炼；在二次熔炼过程中，给炉室中冲入高纯氩气作为载气，提高熔炼期炉压，减少低熔点金属铝的蒸发损失，并脱除熔炼过程中合金中挥发出的气体；依靠等离子体产生的高温对合金进行加热、保温，使合金液中的高密度夹杂、低密度夹杂充分熔化、溶解，不能熔化、溶解的高密度夹杂、低密度夹杂，通过浮选、沉降的机理而脱除，得到纯净的合金液，并浇注成高质量的铸锭；

铸锭热等静压和均匀化：在氩气保护条件下，用氩弧焊接技术对铸锭表面气孔、孔洞进行封闭焊合；将铸锭在保护气氛条件下加热到980-1000℃，气体压力180Mpa保压5h，铸锭经过热等静压处理后，内部孔隙、疏松缺陷基本修复；随后，在α相区温度对铸锭进行均匀化处理，消除包晶反应形成的成分偏析；

热加工：钛铝基合金室温塑性很低，热加工要在共析温度附近进行，进行等温精锻、包套锻造或者热挤压加工；等温锻造加热温度1150-1180℃，包套锻造时，更有效地通过锻打细化铸锭晶粒而不形成铸锭裂纹；包套材质低碳钢板，包套锻造加热温度为1170-1200℃；先在α+γ相区加热，并对合金进行小变形量的热加工，变形应变速率控制在1s^-1以内，通过第一次热加工使合金中的层片组织通过动态再结晶、球化过程转化为细小的等轴晶组织，使合金的组织和成分更趋均匀；随后进行第二次热加工，组织细化后的第二次热加工，锻打变形量达到80%，锻打应变速率控制在10^-2s^-1以内；

钛铝基合金的挤压在温度较高的α+γ相区或者α相区进行，为了防止合金在高温条件下发生氧化，挤压前需要对钛铝基合金铸锭进行包覆处理，包覆材料为低碳钢板，挤压温度在α+γ相区，采用静液挤压法，挤压筒靠近挤压模的区域通常设计成锥形，待挤压的锭坯也被加工成带有一定的锥度；挤压过程分两次完成，第一次用包套挤压棒坯毛料，第二次挤压用棒坯毛料为坯料挤压二次棒坯，两次挤压的总的挤压比为：130-250之间；通过选择和控制挤压温度，使合金的组织在等轴晶、双相或者全层片组织之间变化；

热矫直和表面处理：将二次挤压坯进行热矫直，定尺锯切并清除表面包套；将二次挤压坯料加工成所需要的工件；

通过多元合金化改善合金性能；通过微合金化改变合金组织演变路径；通过添加硼、碳细化合金铸锭组织；通过固溶、沉淀强化提高强度、抗蠕变性能，改善耐高温氧化和环境脆化性能；通过热加工、热处理和快速冷却相变强化合金；通过γ（TiAl）的层片状组织提高高温强度、断裂韧性和抗蠕变性能，达到提高使用温度和高温使用寿命的目的。