專利名稱：一種鈦鎳鋁基高溫合金材料及其等溫鍛造制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫合金制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈦鎳鋁基高溫合金材料，具體涉及一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的等溫鍛造方法，通過(guò)在950°C 980°C對(duì)鈦鎳鋁基高溫合金進(jìn)行等溫鍛造來(lái)提高鈦鎳鋁基合金的室溫、高溫力學(xué)性能和持久性能。
背景技術(shù)：
目前，在動(dòng)力、石化、運(yùn)輸、特別是航空及航天等工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用在600°C以上的金屬結(jié)構(gòu)材料通常為鎳基、鐵基和鈷基高溫合金。這些材料具有較高的密度(一般在8. Og/ cm3以上)，所制成的構(gòu)件和設(shè)備重量大，為了減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗，必須開(kāi)發(fā)低密度、高強(qiáng)度的新型高溫合金以適應(yīng)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的需要。二元TiNi合金是一種具有優(yōu)良力學(xué)性能、良好的耐蝕性和生物相容性的金屬間化合物，作為形狀記憶合金功能材料已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)和生活等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。這種合金的密度為6. 3g/cm3左右，比鎳基、鐵基和鈷基高溫合金低20%左右。在TiNi合金基礎(chǔ)上，通過(guò)添加Al元素可以顯著提高合金的室溫和高溫強(qiáng)度，具有在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。Nb元素的添加可以提高合金室溫、高溫力學(xué)性能和高溫抗氧化性能。目前，對(duì)于鈦鎳鋁基高溫結(jié)構(gòu)材料，通常采用常規(guī)熔煉的方法制備，合金的室溫拉伸塑性較低，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。而且常規(guī)鍛造方法不能對(duì)其進(jìn)行加工變形。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種鈦鎳鋁基高溫合金材料及其等溫鍛造制備方法，該鈦鎳鋁基高溫合金材料在20°C拉伸屈服強(qiáng)度為IOOOMPa 1500MPa，變形率大于5% ；在高溫600°C 800°C的屈服強(qiáng)度為400MPa 1450MPa，變形率大于15%。 800oC /137MPa的持久壽命達(dá)到100h。該等溫鍛造方法可以顯著提高鈦鎳鋁基高溫合金材料的室溫和高溫力學(xué)性能。本發(fā)明提出一種鈦鎳鋁基高溫合金材料，成分按照重量百分比為40at% 50at% 的鈦(Ti)、45at% 55&1%的鎳(Ni)、lat% 6at% 的鋁(Al)、lat% 5at% 的鈮 (Nb)和0. 5at% 3at%的釕(Ru)。釕的含量?jī)?yōu)選為lat% 2at%。該鈦鎳鋁基高溫合金由NiTi基體、黑色Ti2Ni相和白色Nb固溶體相組成，Ti2Ni相沿晶界析出。隨著合金中 Ti含量的增加，Ti2M相的含量增加。該鈦鎳鋁基高溫合金材料經(jīng)等溫鍛造方法制備后，仍由NiTi基體、黑色Ti2Ni相和白色Nb固溶體相組成，但經(jīng)等溫鍛造之后鈦鎳鋁基高溫合金的晶粒沿垂直鍛造方向拉長(zhǎng)。本發(fā)明還提出的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的等溫鍛造制備方法，包括下列步驟(1)按配比為 40at% 50at% 的鈦(Ti)、45at % 55at % 的鎳(Ni)、lat% 6at%的鋁仏1)、1&{% 5&{%的鈮(Nb)和0. 5at% 3at%的釕(Ru)，上述各成分的含量之和為100%，稱取純度為99. 9%的鈦(Ti)、純度為99. 9%的鎳(Ni)、純度為99. 9%的鋁 (Al)、純度為99. 9%的鈮(Nb)和純度為99. 9%的釕(Ru)；(2)將上述稱取的鈦、鎳、鋁、鈮和釕原料放入磁懸浮真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，原料按照熔點(diǎn)順序擺放，高熔點(diǎn)組分放在上面，低熔點(diǎn)組分放在下面，易揮發(fā)的組分在其他原料中間，抽真空至2 X ICT3Pa 5 X l(T3Pa，充入高純氬氣至1 X IO4 3 X IO4Pa,然后在2700°C 3000°C熔煉成鈦鎳鋁基高溫合金錠材；(3)將上述制得的鈦鎳鋁基高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度2 X ICT3Pa 5 X 10_3Pa，熱處理溫度850°C 1000°C下保溫12 24小時(shí)后，隨爐冷卻；(4)用線切割方法將鈦鎳鋁基高溫合金錠材制成圓柱鑄錠，高徑比不超過(guò)2，優(yōu)選的尺寸為Φ90 X 150mm。將圓柱鑄錠在熱處理爐內(nèi)加熱到970 1000°C，保溫2 2. 5h，然后放入液壓機(jī)上進(jìn)行鍛壓變形，鍛造溫度為950 980°C，在1 X 10_5 1 X ICT4iT1的應(yīng)變速率下進(jìn)行等溫鍛造，變形量為40% 60%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明提出的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料及其等溫鍛造制備方法，在感應(yīng)熔煉鈦鎳鋁基高溫合金基礎(chǔ)上，通過(guò)等溫鍛造來(lái)提高合金的室溫、高溫力學(xué)性能；室溫拉伸屈服強(qiáng)度為1000 1500MPa，拉伸塑性大于5% ；在高溫600°C 800°C的屈服強(qiáng)度為 400MPa 1450MPa，塑性大于 15%。(2)本發(fā)明提出的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料及其等溫鍛造制備方法，制備得到的變形鈦鎳鋁基高溫合金材料與具有相同成分的鈦鎳鋁基高溫合金相比，具有更好持久性能，在600°C 800°C具有更優(yōu)異的持久性能，600°C /550MPa下持久壽命大于等于250h， 700°C /300MPa下持久壽命大于等于150h，800°C /137MPa下持久壽命大于等于100h。


圖1 本發(fā)明提出的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的鑄態(tài)合金組織形貌圖；圖2 本發(fā)明提出的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的鑄態(tài)合金經(jīng)等溫鍛造制備的組織形貌圖；圖3 本發(fā)明提出的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的等溫鍛造制備方法的流程圖；圖4 實(shí)施例1中Ti42Ni49Al5Nb2Ru2在20°C、650°C和800°C不同溫度下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提出一種鈦鎳鋁基高溫合金材料，成分按照重量百分比為40at% 50at% 的鈦(Ti)、45at% 55&1%的鎳(Ni)、lat% 6at% 的鋁(Al)、lat% 5at% 的鈮 (Nb)和0. 5at% 3at%的釕(Ru)。釕的含量?jī)?yōu)選為Iat % 2at%。該鈦鎳鋁基高溫合金材料的典型微觀組織如圖1和圖2所示。圖1為鑄態(tài)合金的組織，該鈦鎳鋁基高溫合金材料由NiTi基體、黑色Ti2Ni相和白色Nb固溶體相組成，Ti2Ni相沿晶界析出。隨著合金中Ti含量的增加，Ti2M相的含量增加。圖2為等溫鍛造之后的組織圖，該鈦鎳鋁基高溫合金材料仍是由NiTi基體、黑色Ti2Ni相和白色Nb固溶體相組成，但經(jīng)等溫鍛造之后鈦鎳鋁基高溫合金的晶粒沿垂直鍛造方向拉長(zhǎng)。本發(fā)明還提出的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的等溫鍛造制備方法，如圖3所示， 包括下列步驟(1)按配比為 40at% 5(^1%的鈦(Ti)、45at % 55at % 的鎳(Ni)、lat% 6at%的鋁仏1)、1&{% 5&{%的鈮(Nb)和0. 5at% 3at%的釕(Ru)組成，上述各成分的含量之和為100%，稱取純度為99. 9%的鈦(Ti)、純度為99. 9%的鎳(Ni)、純度為99.9% 的鋁(Al)、純度為99. 9%的鈮(Nb)和純度為99. 9%的釕(Ru)；(2)將上述稱取的鈦、鎳、鋁、鈮和釕原料放入磁懸浮真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，原料按照熔點(diǎn)順序擺放，高熔點(diǎn)組分放在上面，低熔點(diǎn)組分放在下面，易揮發(fā)的組分在其他原料中間，抽真空至2 X ICT3Pa 5 X l(T3Pa，充入高純氬氣至1 X IO4 3 X IO4Pa,然后在2700°C 3000°C熔煉成鈦鎳鋁基高溫合金錠材；(3)將上述制得的鈦鎳鋁基高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度2 X ICT3Pa 5 X 10_3Pa，熱處理溫度850°C 1000°C下保溫12 24小時(shí)后，隨爐冷卻；(4)用線切割方法將鈦鎳鋁基高溫合金錠材制成圓柱鑄錠，高徑比不超過(guò)2，優(yōu)選的尺寸為0 90mmX150mm。將圓柱鑄錠在熱處理爐內(nèi)加熱到970 1000°C，保溫2 2. 5h， 將熱處理后圓柱鑄錠在四柱液壓機(jī)上進(jìn)行等溫鍛造，等溫鍛前在加熱爐中預(yù)加熱到，然后放入液壓機(jī)上進(jìn)行鍛壓變形，鍛造溫度為950 980°C，1 X 10_5 1 X ICT4iT1的應(yīng)變速率進(jìn)行等溫鍛造，變形量為40% 60%。將采用上述方法制備得到的鈦鎳鋁基高溫合金材料制備為標(biāo)準(zhǔn)圓柱拉伸試樣， 標(biāo)距段直徑d = 5mm，高度h = 25mm,采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸壓力-應(yīng)變測(cè)試，拉伸應(yīng)變速率為3X10_4/s，溫度范圍為20°C 800°C之間選定的溫度點(diǎn)20°C、 600°C、65(TC和800°C，經(jīng)測(cè)試得到等溫鍛造的鈦鎳鋁基高溫合金材料在不同溫度條件下的拉伸力學(xué)性能如表1所示。制備標(biāo)準(zhǔn)持久試樣，采用SANS測(cè)試合金在600°C /550MPa、 700°C /300MPa、800°C /137MPa時(shí)的持久壽命，經(jīng)測(cè)試得到等溫鍛造的鈦鎳鋁基高溫合金材料在不同溫度條件下的高溫持久性能如表2所示表1鈦鎳鋁基高溫合金的拉伸力學(xué)性能
權(quán)利要求
1.一種鈦鎳鋁基高溫合金材料，其特征在于所述鈦鎳鋁基高溫合金材料的成分按照重量百分比為40at% 50at%的鈦、45at% 55at %的鎳、Iat % 6at%的鋁、lat% 5at%的鈮和0. 5at% 3at%的釕；該鈦鎳鋁基高溫合金材料由NiTi基體、Ti2Ni相和Nb 固溶體相組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料，其特征在于所述的鈦鎳鋁基高溫合金材料在20°C的拉伸屈服強(qiáng)度為1000 1500MPa，拉伸塑性大于5% ；在600°C 800°C的屈服強(qiáng)度為400MPa 1450MPa，塑性大于15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料，其特征在于所述的鈦鎳鋁基高溫合金材料在600°C /550MPa下持久壽命大于等于250h，700°C /300MPa下持久壽命大于等于150h，800°C /137MPa下持久壽命大于等于100h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料，其特征在于所述的釕的含量為 lat% 2at%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的等溫鍛造制備方法，其特征在于所述的鈦鎳鋁基高溫合金材料為 Ti42Ni49Al5Nb2Ru2、Ti46Ni45Al1Nb5Ru3^ Ti5tlNi45Al3Nb1Ru1、 Ti40Ni55Al1Nb3Ru^ Ti43Ni46.5Al6Nb2Ru2.5 或 Ti41Ni49Al5Nb2Ru315
6.一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的等溫鍛造制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)按鈦鎳鋁基高溫合金材料的配比稱取純度為99.9%的鈦、純度為99. 9%的鎳、純度為99. 9%的鋁、純度為99. 9%的鈮和純度為99. 9%的釕；鈦鎳鋁基高溫合金材料的配比為40at % 50at %的鈦、45at % 55at %的鎳、Iat % 6at %的鋁、Iat % 5at %的鈮和 0. 5at% 3at%的釕組成，各成分的含量之和為100% ；(2)將上述稱取的鈦、鎳、鋁、鈮和釕原料放入磁懸浮真空感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，抽真空至 2 X ICT3Pa 5 XlCT3Pa,充入高純氬氣至IXlO4 3 X IO4Pa,在2700°C 3000°C熔煉成鈦鎳鋁基高溫合金錠材；(3)將制得的鈦鎳鋁基高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)，在真空度2X10_3Pa 5X 10_3Pa，熱處理溫度850°C 1000°C下保溫12 24小時(shí)后，隨爐冷卻；(4)用線切割方法將鈦鎳鋁基高溫合金錠材制成圓柱鑄錠，高徑比不超過(guò)2，將圓柱鑄錠在熱處理爐內(nèi)預(yù)加熱到970 1000°C，保溫2 2. 5h，然后將熱處理后圓柱鑄錠在四柱液壓機(jī)上進(jìn)行等溫鍛造，鍛造溫度為950 980°C，在1 X 10_5 1 X lO^s"1的應(yīng)變速率進(jìn)行等溫鍛造，變形量為40% 60%，得到等溫鍛造方法制備的鈦鎳鋁基高溫合金材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的等溫鍛造制備方法，其特征在于所述的步驟⑷中圓柱鑄錠的尺寸為Φ90πιπιΧ 150mm。
全文摘要
本發(fā)明提出一種鈦鎳鋁基高溫合金材料及其等溫鍛造制備方法，該鈦鎳鋁基高溫合金材料的成分按照重量百分比為40at％～50at％的鈦、45at％～55at％的鎳、1at％～6at％的鋁、1at％～5at％的鈮和0.5at％～3at％的釕。該合金的等溫鍛造制備方法包括按鈦鎳鋁基高溫合金材料的配比原料、進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉、進(jìn)行熱處理、進(jìn)行等溫鍛造四個(gè)步驟。本發(fā)明提出的一種鈦鎳鋁基高溫合金材料的等溫鍛造方法，在鈦鎳鋁基感應(yīng)熔煉合金基礎(chǔ)上，通過(guò)等溫鍛造來(lái)提高合金的室溫、高溫力學(xué)性能以及高溫持久性能，使合金具有優(yōu)異的持久性能；可以顯著提高鈦鎳鋁基高溫合金材料的室溫和高溫力學(xué)性能。
文檔編號(hào)C22C19/03GK102251146SQ20111019640
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者宋曉云, 張菲, 徐惠彬, 李巖, 李樹(shù)索 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)