專利名稱：通過(guò)添加釔提高高鈮鈦鋁合金高溫長(zhǎng)期抗氧化性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料高溫氧化領(lǐng)域，提供了一種通過(guò)添加釔元素提高高鈮鈦鋁合金的高溫長(zhǎng)期抗氧化性的方法。

背景技術(shù)：
TiAl基金屬間化合物具有低密度、高熔點(diǎn)以及較高的高溫比強(qiáng)度，被認(rèn)為是在宇航、汽車、化工以及其它工業(yè)領(lǐng)域中最具有廣泛應(yīng)用前景的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料，但是800℃以上其抗氧化性較差成為限制其實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。高Nb-TiAl合金在800℃以上抗氧化性大大優(yōu)于普通TiAl合金，我們?cè)缭贑orrosion1992；48939中首次指出了Nb元素能顯著提高合金的高溫抗氧化性，此后也有許多學(xué)者實(shí)驗(yàn)證明Nb元素的添加可以大大改善TiAl合金的高溫抗氧化性，因此高Nb-TiAl合金有可能在800-900℃使用，拓展了常規(guī)TiAl合金的應(yīng)用范圍。
但是，文獻(xiàn)M.Yoshihara，Y.W.Kim.A comparative study of oxidation resistanceof engineering gamma TiAl alloys，in Proc.of Gamma Titanium Aluminides，TMS，1999753中指出高Nb-TiAl合金在870℃長(zhǎng)期循環(huán)氧化時(shí)，250到300次(約500小時(shí)到600小時(shí))循環(huán)之間出現(xiàn)了氧化急劇增重階段，主要原因是氧化膜在該階段發(fā)生脫落。
為提高合金高溫長(zhǎng)期抗氧化能力，可以通過(guò)在不影響合金綜合力學(xué)性能的基礎(chǔ)上微量的加入第四元或更多元合金元素，來(lái)提高合金氧化膜抗剝落能力。M.Yoshihara指出微量的Si，B，C和Ha的加入對(duì)合金高溫長(zhǎng)期抗氧化性均無(wú)有益作用。另外，還可以通過(guò)表面施加合適的抗氧化涂層的方法來(lái)對(duì)TiAlNb合金提供防護(hù)。文獻(xiàn)熊玉明，朱圣龍，王福會(huì).帶涂層的TiAlNb合金高溫氧化行為.稀有金屬材料與工程.2006，35213研究了帶有NiCrAlY，TiAlCr和搪瓷涂層的TiAlNb合金800℃和900℃的氧化行為，該方法只能在一定程度上對(duì)合金起到防護(hù)作用，長(zhǎng)期氧化均存在涂層剝落和不穩(wěn)定現(xiàn)象，此外涂層/合金界面互擴(kuò)散影響涂層和合金的力學(xué)性能，在其他通過(guò)表面改性和表面涂覆提高合金抗氧化性的方法中，這一缺點(diǎn)普遍存在。因此，通過(guò)微合金合金化來(lái)改善合金高溫長(zhǎng)期抗氧化能力是目前最為有效的途徑。Wu等人在文獻(xiàn)Wu Y，Umakoshi Y，Li X，et al.Isothermal Oxidation Behavior of Ti-50Al Alloy with Y Additions at 800 and 900℃.Oxidation of Metals.2006，66(5)321以及Wu Y，Hagihara K，Umakoshi Y.Improvement of cyclic oxidation resistance of Y-containing TiAl-based alloys withequiaxial gamma microstructures.Intermetallics.2005，13(8)879中指出適量Y元素的加入可以提高TiAl合金高溫抗氧化性和氧化膜抗剝落能力，但是對(duì)其長(zhǎng)期抗氧化性和氧化膜黏附性未有報(bào)道。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高高Nb-TiAl合金高溫長(zhǎng)期抗氧化性和抗氧化膜剝落的方法，進(jìn)一步提高合金的使用溫度。
一種通過(guò)添加釔提高高鈮鈦鋁合金高溫長(zhǎng)期抗氧化性的方法，其特征是在Ti45Al7Nb合金或Ti45Al8Nb合金中添加原子百分?jǐn)?shù)為0.1-0.8的Y，采用真空熔煉、均勻化處理后得到細(xì)小的釔摻雜高鈮鈦鋁合金全片層組織。合金成分原子百分比為T(mén)i46.4-47.9％、Al45％、Nb7-8％、Y0.1-0.8％。均勻化處理工藝為1320℃(α單相區(qū))保溫12小時(shí)，轉(zhuǎn)爐在900℃保溫30分鐘，取出空冷。
經(jīng)900℃進(jìn)行等溫氧化和循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適量的Y的加入降低了合金的氧化增重，氧化速率減小，氧化膜抗剝落能力提高，在1000次循環(huán)后氧化膜仍然不脫落。
本發(fā)明采用的實(shí)驗(yàn)方案 (1)熔煉采用真空熔煉，熔煉的原料為海綿Ti(99.9％)、純Al(99.99％)、純Y、NbAl中間合金。
(2)均勻化處理1320℃(α單相區(qū))保溫12小時(shí)，轉(zhuǎn)爐在900℃保溫30分鐘，取出空冷，得到細(xì)小的全片層組織。
(3)氧化試樣制備線切割成尺寸為10×10×1mm3薄片，試樣的6個(gè)表面都經(jīng)SiC砂紙由粗到細(xì)磨到1200號(hào)，然后在丙酮中超聲波清洗15min，清洗后的試樣放入干燥器干燥備用。
(4)等溫氧化實(shí)驗(yàn)在箱式電阻爐中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為靜止空氣，實(shí)驗(yàn)溫度為900℃。為保證試樣6個(gè)表面都與空氣接觸，將已量取尺寸的試樣斜置于剛玉坩鍋內(nèi)，氧化一定時(shí)間后將坩鍋取出，待樣品冷卻后稱重，稱完的試樣繼續(xù)放入爐中氧化，試樣累積氧化1000h。
(5)循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)在循環(huán)氧化爐中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為靜止空氣，實(shí)驗(yàn)溫度為900℃。爐內(nèi)高溫氧化1小時(shí)，爐外室溫冷卻12分鐘為一個(gè)循環(huán)周期，氧化至樣品氧化膜脫落記錄循環(huán)周期。
本發(fā)明的效果 (1)對(duì)于Ti-45Al-7Nb系合金，0.4％Y的添加最好的提高了合金在900℃的抗氧化性，其添加使等溫氧化1000小時(shí)后氧化增重比無(wú)Y合金減少了30％，0.4％Y元素的加入促進(jìn)了Al2O3的形成，減小了氧化膜的厚度，細(xì)化了生成氧化物的顆粒，有利于氧化膜的塑性變形，減少了膜的開(kāi)裂。
(2)對(duì)于Ti-45Al-8Nb系合金，0.1％Y的添加最好的提高了合金在900℃的抗氧化性，其添加使等溫氧化1000小時(shí)后氧化增重比無(wú)Y合金減少了20％，0.1％Y的加入增大了氧化膜中Al2O3的比例，減小了氧化膜的厚度，有利于氧化膜的塑性變形，減少了膜的開(kāi)裂。
(3)循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)中所有含Y合金1000個(gè)循環(huán)周期后氧化膜均未發(fā)生明顯的脫落，而無(wú)Y合金300個(gè)循環(huán)周期后氧化膜在冷卻過(guò)程中由于熱應(yīng)力發(fā)生脫落，隨Y含量增加氧化速率升高。
(4)Y的加入使合金在高溫下發(fā)生內(nèi)氧化，樹(shù)枝狀的Al2O3垂直于界面向基體延伸，對(duì)氧化膜起到釘扎作用，抑制氧化膜在內(nèi)應(yīng)力下脫落，但是過(guò)量的內(nèi)氧化又為氧的向內(nèi)擴(kuò)散提供通道，加快合金氧化速率。
本發(fā)明中適量Y的加入在大大提高合金氧化膜抗剝落能力的同時(shí)，也降低了合金的氧化速率，并且微量Y的加入對(duì)合金綜合力學(xué)性能無(wú)不利影響，因此本發(fā)明可以大大提高高Nb-TiAl合金高溫長(zhǎng)期抗氧化性，將其使用溫度提高到900℃。



圖1為T(mén)i-45Al-7Nb系列合金900℃氧化1000小時(shí)的氧化增重曲線。
圖2為T(mén)i-45Al-8Nb系列合金900℃氧化1000小時(shí)的氧化增重曲線。
圖3為T(mén)i-45Al-8Nb系列合金900℃下循環(huán)氧化增重曲線。
圖4為T(mén)i-45Al-7Nb系列合金900℃氧化1000小時(shí)后氧化膜截面的SEM圖。
圖5為T(mén)i-45Al-8Nb系列合金900℃氧化1000小時(shí)后氧化膜截面的SEM圖。

具體實(shí)施例方式 表1 Ti-45Al-7Nb系合金設(shè)計(jì)成分(原子分?jǐn)?shù)，％) 表2 Ti-45Al-8Nb系合金設(shè)計(jì)成分(原子分?jǐn)?shù)，％) 實(shí)施例1 真空熔煉名義成分為T(mén)i-45Al-7Nb-(0，0.1，0.3，0.4，0.6，0.8)Y的合金，均勻化處理后，線切割成尺寸為10×10×1mm3薄片，試樣的6個(gè)表面都經(jīng)SiC砂紙由粗到細(xì)磨到1200號(hào)，然后在丙酮中超聲波清洗15min。在箱式電阻爐中進(jìn)行等溫氧化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為靜止空氣，實(shí)驗(yàn)溫度為900℃。為保證試樣6個(gè)表面都與空氣接觸，將已量取尺寸的試樣斜置于剛玉坩鍋內(nèi)，氧化一定時(shí)間后將坩鍋取出，待樣品冷卻后稱重，稱完的試樣繼續(xù)放入爐中氧化，試樣累積氧化1000h。圖1為氧化增重曲線，Ti-45Al-7Nb-0.4Y合金表現(xiàn)出最好的抗氧化性，其氧化增重比無(wú)Y合金減少了30％，圖4為氧化膜截面的SEM圖，0.4％Y元素的加入促進(jìn)了Al2O3的形成，減小了氧化膜的厚度，細(xì)化了生成氧化物的顆粒，有利于氧化膜的塑性變形，減少了膜的開(kāi)裂。
實(shí)施例2 真空熔煉名義成分為T(mén)i-45Al-8Nb-(0，0.1，0.3，0.4，0.6，0.8)Y的合金，均勻化處理后，線切割成尺寸為10×10×1mm3薄片，試樣的6個(gè)表面都經(jīng)SiC砂紙由粗到細(xì)磨到1200號(hào)，然后在丙酮中超聲波清洗15min。在箱式電阻爐中進(jìn)行等溫氧化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為靜止空氣，實(shí)驗(yàn)溫度為900℃。為保證試樣6個(gè)表面都與空氣接觸，將已量取尺寸的試樣斜置于剛玉坩鍋內(nèi)，氧化一定時(shí)間后將坩鍋取出，待樣品冷卻后稱重，稱完的試樣繼續(xù)放入爐中氧化，試樣累積氧化1000h。圖2為氧化增重曲線，Ti-45Al-8Nb-0.1Y合金表現(xiàn)出最好的抗氧化性，其氧化增重比無(wú)Y合金減少了20％，圖5為氧化膜截面的SEM圖，0.1％Y元素的加入促進(jìn)了Al2O3的形成，減小了氧化膜的厚度，有利于氧化膜的塑性變形，減少了膜的開(kāi)裂。
實(shí)施例3 真空熔煉名義成分為T(mén)i-45Al-8Nb-(0，0.3，0.4，0.6，0.8)Y的合金，均勻化處理后，線切割成尺寸為10×10×1mm3薄片，在試樣一側(cè)電火花打孔，試樣的6個(gè)表面都經(jīng)SiC砂紙由粗到細(xì)磨到1200號(hào)，然后在丙酮中超聲波清洗15min。試樣吊于循環(huán)氧化爐中進(jìn)行循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為靜止空氣，實(shí)驗(yàn)溫度為900℃，爐內(nèi)高溫氧化1小時(shí)，爐外室溫冷卻12分鐘為一個(gè)循環(huán)周期，所有含Y合金1000個(gè)循環(huán)周期后氧化膜均未發(fā)生明顯的脫落現(xiàn)象，而無(wú)Y合金300個(gè)循環(huán)周期后氧化膜在冷卻過(guò)程中由于熱應(yīng)力發(fā)生脫落。圖3為循環(huán)氧化增重曲線，隨Y含量增加氧化速率升高。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)添加釔提高高鈮鈦鋁合金高溫長(zhǎng)期抗氧化性的方法，其特征是在Ti45Al7Nb合金或Ti45Al8Nb合金中添加原子百分?jǐn)?shù)為0.1-0.8的Y，采用真空熔煉、均勻化處理后得到細(xì)小的釔摻雜高鈮鈦鋁合金全片層組織；合金成分原子百分比為T(mén)i46.4-47.9％、Al45％、Nb7-8％、Y0.1-0.8％；均勻化處理工藝為1320℃保溫12小時(shí)，轉(zhuǎn)爐在900℃保溫30分鐘，取出空冷。
全文摘要
一種通過(guò)添加釔元素提高高鈮鈦鋁合金高溫長(zhǎng)期抗氧化性的方法，屬于金屬材料高溫氧化領(lǐng)域。其特征是在Ti45Al7Nb合金或Ti45Al8Nb合金中添加Y，采用真空熔煉、均勻化處理后得到細(xì)小的釔摻雜高鈮鈦鋁合金全片層組織；合金成分原子百分比為T(mén)i46.4-47.9％、Al45％、Nb7-8％、Y0.1-0.8％；均勻化處理工藝為1320℃保溫12小時(shí)，轉(zhuǎn)爐在900℃保溫30分鐘，取出空冷。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是加入適量的Y，增加了氧化膜內(nèi)Al2O3的比例，減小了氧化膜的厚度，細(xì)化了生成氧化物的顆粒，有利于氧化膜塑性變形，減少了膜的開(kāi)裂。經(jīng)循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)，所有含Y合金1000個(gè)循環(huán)周期后氧化膜未出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象，Y的加入提高了合金氧化膜的黏附性，可將高鈮鈦鋁合金使用溫度提高至900℃以上。
文檔編號(hào)C22C1/02GK101812604SQ201010148618
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者林均品, 趙麗利, 李光燕, 張來(lái)啟, 王艷麗, 葉豐, 陳國(guó)良, 張寧 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)