[发明专利]一种添加有微量硼的铌钛铝合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种添加有微量硼的铌钛铝合金及其制备方法。

背景技术

铌是密度最低的难溶金属，仅为8.57克/立方厘米，可以与钛无限固溶形成合金，但铌钛合金在1000℃时存在超塑性现象，延伸率达到224％，因而限制了其高温应用。在铌钛合金中添加了适量铝之后，在显著提升合金的高温力学强度的同时，还能够降低合金的密度和改善合金的高温抗氧化能力，从而作为在1000℃至1300℃使用的高温结构材料。如美国GE公司的Melvin R.Jackson的专利便做过一种密度为6.33g/cm³的含铌45％、含钛45％(原子百分比，以下涉及合金组分含量百分比为原子百分比)、含铝10％的合金材料和另一种密度仅为5.95g/cm³含铌40％、含钛40％、含铝20％合金材料的比较。结果发现含铝20％合金在室温、600℃、900℃下的屈服强度显著高于含铝10％的合金，而在1200℃时，纯氩气环境下，两种合金仍然具有4-5ksi(约28-34Mpa)的屈服强度。此外，当合金中的铝含量达到一定水平时，高温下会在合金表面形成铝的氧化层，从而阻止氧气在合金中的扩散，使合金具有较好的抗氧化能力。这方面的工作已经被充分研究和报导过。因为具有低密度和较好高温力学强度的优势，这一类合金有望用于航空和航天领域，如航天发动机的尾喷管便可用这一类的材料制成。目前美国已经在此这一类合金的基础上开发出一种更为先进的Nb+40Ti+10Al+8Cr+2Hf合金(含40％钛、10％铝、8％铬和2％铪，余量为铌，下同)，该合金在1200℃下具有77Mpa的抗拉强度。而俄国研发的Nb+40Ti+15Al+2W合金在1100℃下80Mpa的抗拉强度也能满足航空航天的工业需要。

但是，合金中铝的加入同时也导致了合金具有严重的室温脆性的问题，如上述提到的GE公司的Melvin R.Jackson的实验中，含铝10％合金的室温延伸率为33％，而含铝20％合金的室温延伸率仅为15％。此外，含铝20％的合金由于晶体结构和性质的变化，在600℃和900℃下延伸率甚至低于室温，分别为13％和2.3％！铝的添加，还会导致氢脆以及各种铸造缺陷的产生。某些同类型合金有时用铬来替换铝的抗氧化作用和强化作用。但铬和铝的共同添加并不能明显改善合金的塑性。因为在Nb-Ti-Al合金中铬主要是替换铝原子的位置，但铬会在晶界和亚晶界上出现晶界偏析，导致沿晶脆性断裂，使合金性能进一步恶化。塑性下降和铸造缺陷的直接后果，既有可能在铸锭出炉后便在内应力作用下出现裂纹，成为废品。此外，较差的室温脆性，换言之也意味着合金的韧脆转变温度较高。而在某些工业应用方面，比如上述提到的航天火箭尾喷管，则必须经过锻造过程。高的韧脆转变温度则直接导致这一加工过程无法实现。在上面提到的美国Nb+40Ti+10Al+8Cr+2Hf合金中，加入2％的铪可以一定程度上改善合金的塑性。但因为铪较贵，使得这一工艺的价值有较大折扣。

提高合金的晶粒度对于改善合金的力学性能和降低韧脆转变温度，乃至于提高合金的耐热疲劳性和循环寿命具有重要意义。根据霍尔-佩奇(Hall-Petch)公式，晶粒度越细(晶界面积越大)，多晶体的室温强度越高。因此细化晶粒，可以有效改善合金的力学性能。同时，晶界是裂纹扩展的阻力。随着晶界总面积的增加，晶界上杂质浓度下降，可以有效抑制沿晶脆性断裂的产生。晶粒的细化抑制裂纹的同时，也降低了韧脆转变温度。晶粒度越细，韧脆转变温度越低，越不容易发生脆断，塑性越好。两者之间服从公式：T_c∝lnd^-1/2(其中，T_c为韧脆转变温度，d代表晶粒直径)。因而细化晶粒度对于这类Nb-Ti-Al合金进入更大规模工业应用而言，具有重要的意义。

晶粒细化可以通过改善铸造工艺、添加晶粒细化剂和热处理实现。综合来看，添加晶粒细化剂，改善合金成分是最为经济的方案。很早人们就认识到，如果在铝合金中添加微量的钛，会导致组织的细化。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种添加有微量硼的铌钛铝(Nb-Ti-Al)合金，能够提高合金的力学性能，增强增韧，防止合金开裂；

本发明的目的之二是提供一种上述合金的制备方法，能够解决铌钛铝合金的室温脆性问题并且细化铌钛铝合金铸态组织的晶粒。

一种添加有微量硼的铌钛铝合金，其特别之处在于：按原子百分比计在铌钛铝合金中添加0.5％-5％的硼。

其中铌钛铝合金中含30％-60％原子百分比的铌。