專利名稱：通過添加釔提高高鈮鈦鋁合金高溫長期抗氧化性的方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料高溫氧化領域，提供了一種通過添加釔元素提高高鈮鈦鋁合金的高溫長期抗氧化性的方法。
背景技術：
TiAl基金屬間化合物具有低密度、高熔點以及較高的高溫比強度，被認為是在宇航、汽車、化工以及其它工業領域中最具有廣泛應用前景的新一代高溫結構材料，但是800℃以上其抗氧化性較差成為限制其實際應用的主要障礙。高Nb-TiAl合金在800℃以上抗氧化性大大優于普通TiAl合金，我們早在Corrosion1992；48939中首次指出了Nb元素能顯著提高合金的高溫抗氧化性，此后也有許多學者實驗證明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TiAl合金的應用范圍。
但是，文獻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℃長期循環氧化時，250到300次(約500小時到600小時)循環之間出現了氧化急劇增重階段，主要原因是氧化膜在該階段發生脫落。
為提高合金高溫長期抗氧化能力，可以通過在不影響合金綜合力學性能的基礎上微量的加入第四元或更多元合金元素，來提高合金氧化膜抗剝落能力。M.Yoshihara指出微量的Si，B，C和Ha的加入對合金高溫長期抗氧化性均無有益作用。另外，還可以通過表面施加合適的抗氧化涂層的方法來對TiAlNb合金提供防護。文獻熊玉明，朱圣龍，王福會.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合金起到防護作用，長期氧化均存在涂層剝落和不穩定現象，此外涂層/合金界面互擴散影響涂層和合金的力學性能，在其他通過表面改性和表面涂覆提高合金抗氧化性的方法中，這一缺點普遍存在。因此，通過微合金合金化來改善合金高溫長期抗氧化能力是目前最為有效的途徑。Wu等人在文獻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，但是對其長期抗氧化性和氧化膜黏附性未有報道。
發明內容
本發明的目的在于提供一種提高高Nb-TiAl合金高溫長期抗氧化性和抗氧化膜剝落的方法，進一步提高合金的使用溫度。
一種通過添加釔提高高鈮鈦鋁合金高溫長期抗氧化性的方法，其特征是在Ti45Al7Nb合金或Ti45Al8Nb合金中添加原子百分數為0.1-0.8的Y，采用真空熔煉、均勻化處理后得到細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Ti46.4-47.9％、Al45％、Nb7-8％、Y0.1-0.8％。均勻化處理工藝為1320℃(α單相區)保溫12小時，轉爐在900℃保溫30分鐘，取出空冷。
經900℃進行等溫氧化和循環氧化實驗發現，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次循環后氧化膜仍然不脫落。
本發明采用的實驗方案 (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)保溫12小時，轉爐在900℃保溫30分鐘，取出空冷，得到細小的全片層組織。
(3)氧化試樣制備線切割成尺寸為10×10×1mm3薄片，試樣的6個表面都經SiC砂紙由粗到細磨到1200號，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)等溫氧化實驗在箱式電阻爐中進行，實驗介質為靜止空氣，實驗溫度為900℃。為保證試樣6個表面都與空氣接觸，將已量取尺寸的試樣斜置于剛玉坩鍋內，氧化一定時間后將坩鍋取出，待樣品冷卻后稱重，稱完的試樣繼續放入爐中氧化，試樣累積氧化1000h。
(5)循環氧化實驗在循環氧化爐中進行，實驗介質為靜止空氣，實驗溫度為900℃。爐內高溫氧化1小時，爐外室溫冷卻12分鐘為一個循環周期，氧化至樣品氧化膜脫落記錄循環周期。
本發明的效果 (1)對于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小時后氧化增重比無Y合金減少了30％，0.4％Y元素的加入促進了Al2O3的形成，減小了氧化膜的厚度，細化了生成氧化物的顆粒，有利于氧化膜的塑性變形，減少了膜的開裂。
(2)對于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小時后氧化增重比無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，減少了膜的開裂。
(3)循環氧化實驗中所有含Y合金1000個循環周期后氧化膜均未發生明顯的脫落，而無Y合金300個循環周期后氧化膜在冷卻過程中由于熱應力發生脫落，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生內氧化，樹枝狀的Al2O3垂直于界面向基體延伸，對氧化膜起到釘扎作用，抑制氧化膜在內應力下脫落，但是過量的內氧化又為氧的向內擴散提供通道，加快合金氧化速率。
本發明中適量Y的加入在大大提高合金氧化膜抗剝落能力的同時，也降低了合金的氧化速率，并且微量Y的加入對合金綜合力學性能無不利影響，因此本發明可以大大提高高Nb-TiAl合金高溫長期抗氧化性，將其使用溫度提高到900℃。
圖1為Ti-45Al-7Nb系列合金900℃氧化1000小時的氧化增重曲線。
圖2為Ti-45Al-8Nb系列合金900℃氧化1000小時的氧化增重曲線。
圖3為Ti-45Al-8Nb系列合金900℃下循環氧化增重曲線。
圖4為Ti-45Al-7Nb系列合金900℃氧化1000小時后氧化膜截面的SEM圖。
圖5為Ti-45Al-8Nb系列合金900℃氧化1000小時后氧化膜截面的SEM圖。
具體實施例方式 表1 Ti-45Al-7Nb系合金設計成分(原子分數，％) 表2 Ti-45Al-8Nb系合金設計成分(原子分數，％) 實施例1 真空熔煉名義成分為Ti-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個表面都經SiC砂紙由粗到細磨到1200號，然后在丙酮中超聲波清洗15min。在箱式電阻爐中進行等溫氧化實驗，實驗介質為靜止空氣，實驗溫度為900℃。為保證試樣6個表面都與空氣接觸，將已量取尺寸的試樣斜置于剛玉坩鍋內，氧化一定時間后將坩鍋取出，待樣品冷卻后稱重，稱完的試樣繼續放入爐中氧化，試樣累積氧化1000h。圖1為氧化增重曲線，Ti-45Al-7Nb-0.4Y合金表現出最好的抗氧化性，其氧化增重比無Y合金減少了30％，圖4為氧化膜截面的SEM圖，0.4％Y元素的加入促進了Al2O3的形成，減小了氧化膜的厚度，細化了生成氧化物的顆粒，有利于氧化膜的塑性變形，減少了膜的開裂。
實施例2 真空熔煉名義成分為Ti-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個表面都經SiC砂紙由粗到細磨到1200號，然后在丙酮中超聲波清洗15min。在箱式電阻爐中進行等溫氧化實驗，實驗介質為靜止空氣，實驗溫度為900℃。為保證試樣6個表面都與空氣接觸，將已量取尺寸的試樣斜置于剛玉坩鍋內，氧化一定時間后將坩鍋取出，待樣品冷卻后稱重，稱完的試樣繼續放入爐中氧化，試樣累積氧化1000h。圖2為氧化增重曲線，Ti-45Al-8Nb-0.1Y合金表現出最好的抗氧化性，其氧化增重比無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，減少了膜的開裂。
實施例3 真空熔煉名義成分為Ti-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，在試樣一側電火花打孔，試樣的6個表面都經SiC砂紙由粗到細磨到1200號，然后在丙酮中超聲波清洗15min。試樣吊于循環氧化爐中進行循環氧化實驗，實驗介質為靜止空氣，實驗溫度為900℃，爐內高溫氧化1小時，爐外室溫冷卻12分鐘為一個循環周期，所有含Y合金1000個循環周期后氧化膜均未發生明顯的脫落現象，而無Y合金300個循環周期后氧化膜在冷卻過程中由于熱應力發生脫落。圖3為循環氧化增重曲線，隨Y含量增加氧化速率升高。
權利要求
1.一種通過添加釔提高高鈮鈦鋁合金高溫長期抗氧化性的方法，其特征是在Ti45Al7Nb合金或Ti45Al8Nb合金中添加原子百分數為0.1-0.8的Y，采用真空熔煉、均勻化處理后得到細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Ti46.4-47.9％、Al45％、Nb7-8％、Y0.1-0.8％；均勻化處理工藝為1320℃保溫12小時，轉爐在900℃保溫30分鐘，取出空冷。
全文摘要
一種通過添加釔元素提高高鈮鈦鋁合金高溫長期抗氧化性的方法，屬于金屬材料高溫氧化領域。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Ti46.4-47.9％、Al45％、Nb7-8％、Y0.1-0.8％；均勻化處理工藝為1320℃保溫12小時，轉爐在900℃保溫30分鐘，取出空冷。本發明優點是加入適量的Y，增加了氧化膜內Al2O3的比例，減小了氧化膜的厚度，細化了生成氧化物的顆粒，有利于氧化膜塑性變形，減少了膜的開裂。經循環氧化實驗，所有含Y合金1000個循環周期后氧化膜未出現明顯的脫落現象，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C22C1/02GK101812604SQ201010148618
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月16日 優先權日2010年4月16日
發明者林均品, 趙麗利, 李光燕, 張來啟, 王艷麗, 葉豐, 陳國良, 張寧 申請人:北京科技大學