專利名稱：一種鈦鎳鋁高溫合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦鎳鋁高溫合金材料，通過在鈦鎳合金基體中添加鋁元素來提高鈦鎳合金的室溫和高溫力學(xué)性能的一種新型高溫合金材料。
背景技術(shù)：
目前，在動力、石化、運輸、特別是航空及航天等工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用在600℃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8.0g/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，必須開發(fā)低密度、高比強的新型高溫合金以適應(yīng)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域未來發(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，比鎳基、鐵基和鈷基高溫合金低20％左右。
在TiNi合金基礎(chǔ)上，通過添加高純度Al元素來提高合金的室溫屈服強度和高溫力學(xué)性能，開發(fā)出新型的低密度、高比強度高溫合金替代傳統(tǒng)高溫合金，可以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種低密度、高比強度TiNiAl高溫合金材料，該TiNiAl高溫合金作為結(jié)構(gòu)材料在高溫使用，可以替代傳統(tǒng)的高密度鎳基、鐵基和鈷基高溫合金材料，可以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗。
本發(fā)明的一種鈦鎳鋁高溫合金材料，由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)和1at％～15at％的鋁(Al)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
所述的鈦鎳鋁高溫合金材料，也可以由50at％～55at％的鈦(Ti)、40at％～50at％的鎳(Ni)和4at％～10at％的鋁(Al)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
所述的鈦鎳鋁高溫合金材料，其組份為Ti50Ni41Al9或者Ti52Ni42Al6。
所述的鈦鎳鋁高溫合金材料，在溫度18℃屈服強度為1100MPa～1500MPa，變形率大于9％；在高溫600℃～800℃屈服強度為1200MPa～200MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能在600℃～800℃靜態(tài)空氣中100小時氧化增重0.01mg/cm2～8.00mg/cm2；該鈦鎳鋁高溫合金材料密度為5.20～6.30g/cm3。
本發(fā)明的一種鈦鎳鋁高溫合金材料的制備方法，包括下列步驟(1)按配比稱取純度為99.9％的鈦(Ti)、純度為99.9％的鎳(Ni)和純度為99.9％的鋁(Al)；(2)將上述稱取的鈦、鎳、鋁原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1700℃～2000℃熔煉成TiNiAl高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAl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2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫12～24小時后，隨爐冷卻，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15高溫合金材料。
本發(fā)明TiNiAl高溫合金材料的優(yōu)點在TiNi合金基礎(chǔ)上，通過添加高純度Al元素來提高合金的室溫屈服強度和高溫力學(xué)性能，這類合金密度為5.20～6.30g/cm3，室溫屈服強度為1100MPa～1500MPa，變形率大于9％，在600℃～800℃之間具有良好的力學(xué)性能和抗高溫氧化性能，具有低密度、高強度的優(yōu)點。


圖1是Ti50Ni41Al9圓柱試樣在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃溫度下壓縮試驗結(jié)果曲線圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明是一種鈦鎳鋁高溫合金材料，由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)和1at％～15at％的鋁(Al)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發(fā)明的鈦鎳鋁高溫合金材料，也可以由50at％～55at％的鈦(Ti)、40at％～50at％的鎳(Ni)和4at％～10at％的鋁(Al)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發(fā)明鈦鎳鋁高溫合金材料的制備方法和步驟如下(1)按配比稱取純度為99.9％的鈦、純度為99.9％的鎳和純度為99.9％的鋁；(2)將上述鈦、鎳和鋁原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1700℃～2000℃熔煉成TiNiAl高溫合金錠材；
(3)將上述制得的TiNiAl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2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫12～24小時后，隨爐冷卻，即得到本發(fā)明要求的鈦鎳鋁高溫合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的鈦鎳鋁高溫合金材料中切取直徑d＝6mm，高度h＝9mm的圓柱體作為力學(xué)性能測試樣品，采用MTS-880型萬能材料實驗機進(jìn)行壓縮壓力-應(yīng)變測試，壓縮應(yīng)變速率為0.02mm/min，溫度范圍為室溫(18℃)～800℃之間選定的溫度點。采用線切割方法切取長L＝10mm，寬W＝5mm，高H＝5mm的長方體樣品作為密度和抗高溫氧化性能測試樣品，測量樣品的質(zhì)量M1，運用公式ρ＝M1÷(L×W×H)計算合金密度ρ；在600℃～800℃之間選定溫度點，將樣品置于該溫度的靜態(tài)空氣中保持100小時后，測量樣品的質(zhì)量M2，運用公式X＝(M2-M1)÷2(L×W+H×L+W×H)計算合金的單位表面積氧化增重X，采用精確度為10-4g的電子天平測量樣品的質(zhì)量，使用精確度為10-2mm的游標(biāo)卡尺測量樣品的尺寸。鈦鎳鋁高溫合金材料的性能參數(shù)如下表所示

本發(fā)明的Ti50～60Ni35～50Al1～15高溫合金材料比二元TiNi合金材料的密度小，其屈服強度、變形率、抗高溫氧化能力強，有效地減輕了結(jié)構(gòu)重量，提高了效率，降低了能源消耗，擴展了TiNi基合金材料的使用范圍。
實施例1制Ti50Ni41Al9合金材料(1)稱取50at％純度為99.9％的鈦、41at％純度為99.9％的鎳和9at％純度為99.9％的鋁；(2)將上述鈦、鎳和鋁塊狀原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1800℃以上熔煉成TiNiAl高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAl高溫合金錠材放入的真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度5×10-3Pa，熱處理溫度900℃下保溫12小時后，隨爐冷卻，即得到本發(fā)明要求的Ti50Ni41Al9高溫合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Ti50Ni41Al9合金材料中切取直徑d＝6mm，高度h＝9mm的圓柱體作為力學(xué)性能測試樣品，采用MTS-880型萬能材料實驗機進(jìn)行壓縮壓力-應(yīng)變測試，壓縮應(yīng)變速率為0.02mm/min，在600℃下測得屈服強度和變形率分別為1150MPa和37％，在650℃下測得屈服強度和變形率分別為1050MPa和31％。采用線切割方法切取長L＝10mm，寬W＝5mm，高H＝5mm的長方體樣品作為密度和抗高溫氧化性能測試樣品，測量樣品的質(zhì)量M1＝1.4152g，計算合金密度ρ＝5.66g/cm3；將樣品置于600℃的靜態(tài)空氣中保持100小時后，測量樣品的氧化增重為0.01mg/cm2；將樣品置于650℃的靜態(tài)空氣中保持100小時后，測量樣品的氧化增重為0.01mg/cm2。其它不同溫度條件下的狀況請參見圖1所示。圖中示出Ti50Ni41Al9高溫合金材料在18℃、600℃、650℃、700℃和800℃溫度下的壓縮試驗結(jié)果。本發(fā)明的Ti50Ni41Al9高溫合金材料在800℃時的屈服強度最低，而在600℃～800℃之間屈服強度為較佳狀態(tài)。
實施例2制Ti52Ni42Al6合金材料(1)稱取52at％純度為99.9％的鈦、42at％純度為99.9％的鎳和6at％純度為99.9％的鋁；(2)將上述鈦、鎳和鋁塊狀原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2000℃熔煉成TiNiAl高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAl高溫合金錠材放入的真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，在真空度5×10-3Pa，熱處理溫度900℃下保溫18小時后，隨爐冷卻，即得到本發(fā)明要求的Ti52Ni42Al6高溫合金材料。
采用線切割方法，在上述制得的Ti52Ni42Al6高溫合金材料中切取直徑d＝6mm，高度h＝9mm的圓柱體作為力學(xué)性能測試樣品，采用MTS-880型萬能材料實驗機進(jìn)行壓縮壓力-應(yīng)變測試，壓縮應(yīng)變速率為0.02mm/min，在650℃下測得屈服強度和變形率分別為800MPa和34％，在700℃下測得屈服強度和變形率分別為430MPa和32％。采用線切割方法切取長L＝10mm，寬W＝5mm，高H＝5mm的長方體樣品作為密度和抗高溫氧化性能測試樣品，測量樣品的質(zhì)量M1＝1.5260g，計算合金密度ρ＝6.10g/cm3；將樣品置于650℃的靜態(tài)空氣中保持100小時后，測量樣品的氧化增重為0.01mg/cm2；將樣品置于700℃的靜態(tài)空氣中保持100小時后，測量樣品的氧化增重為0.92mg/cm2。
權(quán)利要求
1.一種鈦鎳鋁高溫合金材料，其特征在于由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)和1at％～15at％的鋁(Al)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鎳鋁高溫合金材料，其特征在于由50at％～55at％的鈦(Ti)、40at％～50at％的鎳(Ni)和4at％～10at％的鋁(Al)組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦鎳鋁高溫合金材料，其特征在于該鈦鎳鋁高溫合金材料為Ti50Ni41Al9。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦鎳鋁高溫合金材料，其特征在于該鈦鎳鋁高溫合金材料為Ti52Ni42Al6。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦鎳鋁高溫合金材料，其特征在于該鈦鎳鋁高溫合金材料在18℃屈服強度為1100MPa～1500MPa，變形率大于9％；在高溫600℃～800℃屈服強度為1200MPa～200MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能在600℃～800℃靜態(tài)空氣中100小時氧化增重0.01mg/cm2～8.00mg/cm2；該鈦鎳鋁高溫合金材料密度為5.20～6.30g/cm3。
6.一種鈦鎳鋁高溫合金材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)按配比稱取純度為99.9％的鈦(Ti)、純度為99.9％的鎳(Ni)和純度為99.9％的鋁(Al)；(2)將上述稱取的鈦、鎳、鋁原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至2×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1700℃～2000℃熔煉成TiNiAl高溫合金錠材；(3)將上述制得的TiNiAl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2×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度850℃～900℃下保溫12～24小時后，隨爐冷卻，即得到Ti50～60Ni35～50Al1～15高溫合金材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦鎳鋁高溫合金材料，該合金材料由50at％～60at％的鈦(Ti)、35at％～50at％的鎳(Ni)和1at％～15at％的鋁(Al)組成。該合金材料在18℃屈服強度為1100MPa～1500MPa，變形率大于9％；在高溫600℃～800℃屈服強度為1200MPa～200MPa，變形率大于25％；抗高溫氧化性能在600℃～800℃靜態(tài)空氣中100小時氧化增重0.01mg/cm
文檔編號C22C1/02GK1644733SQ20051005391
公開日2005年7月27日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月14日
發(fā)明者徐惠彬, 孟令杰, 李巖, 趙新青, 宮聲凱 申請人:北京航空航天大學(xué)