本發(fā)明涉及一種含碳高鈮鈦鋁基單晶合金，該合金強度高、塑性好，屬于高溫結構合金材料領域。

背景技術：

傳統(tǒng)Ni基和Ti基高溫合金的使用性能逐漸難以滿足新時代航空發(fā)動機的性能要求，因此需要探索更加優(yōu)異可靠的材料和加工工藝以進一步提高未來發(fā)動機的使用性能，如提高推重比、減輕機身重量、提高使用壽命等。對于下一代汽車和飛機發(fā)動機，新型結構材料必須是“更強、更輕”，這樣才能提高效率，減少燃料消耗以及顯著減少二氧化碳的排放。近幾十年來，研究者將目光投向了新一代的高溫合金，TiAl金屬間化合物。TiAl金屬間化合物具有低密度(3.9～4.2g/cm³)、良好的高溫強度、抗蠕變性、良好的抗氧化和抗燃燒性能等優(yōu)點。通過近幾十年的研究，TiAl金屬間化合物已經成功應用于汽車和飛機發(fā)動機行業(yè)。1999年，日本三菱公司采用TiAl-Nb合金替代原有的Ni基合金成功制得賽車發(fā)動機增壓渦輪，有效地減小了發(fā)動機的啟動時間、提高了發(fā)動機的綜合性能，這是TiAl金屬間化合物的首次商業(yè)應用。2002年，連續(xù)生產的鍛加工高性能γ-TiAl合金賽車閥門已開始研發(fā)。2007年，波音公司采用成分為Ti-48Al-2Cr-2Nb合金成功制作了航空發(fā)動機低壓渦輪葉片，這一成果大大減輕了發(fā)動機的重量并具有優(yōu)異的使用性能。然而，TiAl基合金也有其應用局限性，如低的室溫塑性、較差的變形加工性能、較低的工作溫度等，這些缺陷嚴重阻礙了TiAl合金在工程上的應用。

PST(Polysynthetic Twinned，PST)TiAl單晶合金，因其力學性能與片層取向之間的密切聯(lián)系而尤其令人關注?？梢灶A見，未來采用TiAl基單晶合金材料

制備的發(fā)動機葉片及其他機械零部件將進一步提高航空發(fā)動機的使用性能。單晶合金的組織與性能與合金的成分密切相關，采用合適的合金成分對于單晶合金的強度、塑性、高溫性能的改善具有非常重要的意義。例如，Nb元素的添加顯著提升了TiAl合金的使用性能，如強度、高溫抗氧化性以及抗蠕變能力等。又如，合金元素C的添加具有固溶強化和沉淀硬化效應，合適的碳含量對于高鈮鈦鋁合金及其單晶合金性能的提升具有潛在的價值。高鈮TiAl合金及其單晶合金作為新一代的γ-TiAl合金已經成為研究者關注的焦點，如何進一步提升高鈮TiAl合金及其單晶合金的性能是當下研究TiAl合金的熱點之一。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種含碳高鈮鈦鋁基單晶合金，用于要求強度高、塑性好的高溫結構機械零部件。

為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術方案是：一種含碳高鈮鈦鋁基單晶合金，按質量百分比計，合金成分如下：0.01～0.1％C、10.00～19.69％Nb、13.48～30％Al，其余為Ti。

本發(fā)明含碳高鈮鈦鋁基單晶合金與不含碳鈦鋁基多晶合金及其單晶合金相比，其顯著優(yōu)點是：(1)本發(fā)明含碳鈦鋁基單晶合金由于碳元素的添加具有固溶強化作用，并且在晶界和片層界面處形成的碳化物具有沉淀強化作用，并且在一定程度上能穩(wěn)定片層組織結構，合金強度得到顯著提高。(2)本發(fā)明含碳鈦鋁基單晶合金不僅強度高，而且塑性較好，具有優(yōu)良的綜合力學性能，合金中Nb的摻加，既能夠提升超位錯的移動能量，同時能夠促使細小的納米孿晶面更容易形成。這兩者的共同作用使高鈮單晶合金同時具備良好的強度和塑性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明單晶合金(實施例1)的宏觀組織圖。

圖2是本發(fā)明合金的合金組織模式圖。

圖3是本發(fā)明單晶合金(實施例1)掃描電鏡顯微組織圖，其中，γ/α₂/γ片層邊界處存在顆粒狀碳化物。

圖4是本發(fā)明含碳鈦鋁基單晶合金(實施例1)、含碳鈦鋁基多晶合金、不含碳鈦鋁基多晶合金以及不含碳鈦鋁基單晶合金室溫壓縮力學性能對比圖。

具體實施方式

實施例1

一種含碳高鈮鈦鋁基單晶合金，其特征在于按質量百分比計，合金成分如下：0.06％C、17.69％Nb、28.90％Al，其余為Ti。所述制備方法為：(1)配料。按質量百分比計，合金成分如下：0.06％C、17.69％Nb、28.90％Al，其余為Ti。(2)單晶合金制備：采用熔煉設備或單晶制備系統(tǒng)制備所述合金。

制得的單晶合金宏觀組織圖如圖1所示。如圖2所示為合金的微觀組織模式圖，碳化物顆粒幾乎總是存在于沿γ/γ片層界面，而不是存在于γ片層內部。所有沉淀物的形成被證明與富鈦相α₂的溶解相關。這是由于C在α₂相中的固溶度較大，在γ相中的固溶度極小，當過量的碳超過α₂相固溶度時，便在γ/α₂/γ片層邊界處產生碳化物沉淀。在片層界面處的碳化物能夠與片層產生相互作用，從而可提高合金的強度，尤其是合金的抗蠕變強度。如圖3所示為合金的掃描電鏡顯微組織圖，γ/α₂/γ片層邊界處存在顆粒狀碳化物。含碳高鈮鈦鋁基單晶合金、含碳高鈮鈦鋁基多晶合金、不含碳高鈮鈦鋁基單晶合金、不含碳高鈮鈦鋁基多晶合金的室溫壓縮力學性能對比如圖4和表1所示。本發(fā)明含碳高鈮鈦鋁基單晶合金強度明顯高于其他合金，且塑性也較好，具有優(yōu)良的綜合力學性能。其原因在于C元素的固溶引起的固溶強化作用，除此之外，合金強度的提升也得益于碳含量超過合金固溶度時形成的碳化物而引起的沉淀強化效應。沉淀強化作用主要是位錯與碳化物之間的相互作用而產生的。碳化物對位錯產生釘扎作用，在合金變形時限制了位錯的移動，從而提高了合金的強度。甚至在較高溫度下，都能觀察到這種位錯與碳化物之間的相互作用作用。只有當溫度足夠高時，位錯在變形期間產生攀移離開原來的滑移面而繞開碳化物沉淀。另一方面，合金結構中的Nb摻加，既能夠提升超位錯的移動能量，同時能夠促使細小的納米孿晶面更容易形成。這兩者的共同作用使高鈮單晶合金同時具備良好的強度和塑性。

實施例2

一種含碳高鈮鈦鋁基單晶合金，其特征在于按質量百分比計，合金成分如下：0.03％C、19.58％Nb、27.8％Al，其余為Ti。所述制備方法為：(1)配料。按質量百分比計，合金成分如下：0.06％C、17.69％Nb、28.90％Al，其余為Ti。(2)單晶合金制備。實施效果見表1，從表1可知，本實施例的含碳高鈮鈦鋁單晶合金的強度顯著提高，塑性也較好。

實施例3

一種含碳高鈮鈦鋁基單晶合金，其特征在于按質量百分比計，合金成分如下：0.09％C、15.66％Nb、29.24％Al，其余為Ti。所述制備方法為：(1)配料。按質量百分比計，合金成分如下：0.09％C、15.66％Nb、29.24％Al，其余為Ti。(2)單晶合金制備。實施效果見表1，從表1可知，本實施例的含碳高鈮鈦鋁單晶合金的強度顯著提高，塑性也較好。

表1

上述實施方式并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術領域的技術人員在本發(fā)明的技術方案范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也均屬于本發(fā)明的保護范圍。