一种高强度耐高温氧化的钛硅合金.pdf

一种高强度耐高温氧化的钛硅合金，其原料组分及含量按重量百分比为：Ti 78.87-88.3％，Si 7.33-8.2％，Al和/或Nb 2.8-12.3％。本发明所述的高强度耐高温氧化的钛硅合金，其抗压强度可达1498-1828MPa，在800-1000℃高温下合金的氧化增重少，合金表面形成的氧化膜致密可对合金起到很好的保护作用。并且该合金的加工性能良好，不含稀贵金属，制造成本低，可广泛应用于生产、生活等领域。

1、  一种高强度耐高温氧化的钛硅合金，其特征在于，其原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：
Ti  78.87-88.3％，
Si  7.33-8.2％，
Al和/或Nb  2.8-12.3％。

2、  根据权利要求1所述的高强度耐高温氧化的钛硅合金，其特征在于，所述原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：
Ti 84.82％-88.3％，Si 7.88％-8.2％，Al 3.5％-7.3％。

3、  根据权利要求1所述的高强度耐高温氧化的钛硅合金，其特征在于，所述原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：
Ti  78.87％-84.82％，Si  7.33％-7.88％，Al  4.5％-5.3％，Nb  2.8-8.5％。

4、  根据权利要求1所述的高强度耐高温氧化的钛硅合金，其特征在于，所述原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：
Ti 80.25％-81.44％，Si 7.45％-7.56％，Nb 11.0％～12.3％。

5、  根据权利要求1所述的高强度耐高温氧化的钛硅合金，其特征在于，所述Ti、Si、Al和Nb元素纯度在99.9％以上。

一种高强度耐高温氧化的钛硅合金
一、技术领域
本发明属于金属材料领域，特别涉及一种高强度耐高温氧化的钛硅合金。
二、背景技术
Ti-Si共晶系合金熔点低(共晶成分的合金熔点仅为1350℃)、结晶区间小、流动性好，弥补了传统铸造钛合金的熔点高(1680℃)、耗能多、结晶区间宽、铸件易形成疏松或缩孔的缺陷。作为一种新型铸造钛合金，它有着与传统钛合金不同的强化机制：以韧性的α-Ti作为基体，硬脆相为高熔点、低密度的金属间化合物Ti₅Si₃。Ti₅Si₃具有复杂的D8₈六方结构(Mn₅Si₃型)，其性质类似于陶瓷，可显著提高合金的强度，尤其是高温性能。近年来，随着工业技术对高温钛合金的需求，世界各国都在深化研究现有钛合金的基础上，不断提高其抗氧化性能。合金元素Al是α-Ti稳定性元素，对氧的亲和力高，更容易被氧化，可生成具有保护性的氧化膜。Nb属于β同晶元素，在周期表上的位置靠近钛，具有与β钛相同的晶格类型，能与β钛无限互溶，而在α钛中具有有限溶解度。由于其晶格类型与β钛相同，它能以置换的方式大量溶入β钛中，产生较小的晶格畸变，因此Nb在强化合金的同时，可保持其较高的塑性，且含Nb的钛合金不发生共析或包析反应而生成脆性相，组织稳定性好。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种高强度耐高温氧化的钛硅合金。采用合金化的方法，在合金中添加适量的Al和Nb元素，利用元素Al和Nb在基体Ti中的固溶行为，提高了钛硅合金的抗压强度和耐高温氧化性能。
本发明通过以下技术方案达到上述目的：一种高强度耐高温氧化的钛硅合金，其原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：
Ti   78.87-88.3％，
Si   7.33-8.2％，
Al和/或Nb  2.8-12.3％。
所述原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：
Ti 84.82-88.3％，Si 7.88-8.2％，Al 3.5-7.3％。
所述原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：
Ti 78.87-84.82％，Si 7.33-7.88％，Al 4.5-5.3％，Nb 2.8-8.5％。
所述原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：
Ti 80.25-81.44％，Si 7.45-7.56％，Nb 11.0-12.3％。
所述Ti、Si、Al和Nb元素纯度在99.9％以上。
该合金利用常规真空非自耗电弧炉熔铸成合金锭。
本发明的突出优点在于：
1、采用合金化的方法，在合金中添加适量的Al和Nb元素，合金具有良好的晶粒细化组织，不引入第三相粒子，提高了钛硅合金的抗压强度和耐高温氧化性能，实验结果表明合金样品的抗压强度可达1498-1828Mpa，在800-1000℃高温下合金的氧化增重少，合金表面形成的氧化膜致密可对合金起到很好的保护作用。
2、此合金加工性能良好，不含稀贵金属，制造成本低，制得性能各异的钛硅合金制品可应用于生产、生活等领域。
四、附图说明
图1是本发明实施例1所述钛硅合金样品在800℃氧化200小时后的氧化层形貌特征。
图2是本发明实施例2所述钛硅合金样品在900℃氧化100小时后的氧化层形貌特征。
图3是本发明实施例3所述钛硅合金样品在850℃氧化350小时后的氧化层形貌特征。
图4是本发明实施例4所述钛硅合金样品在850℃氧化350小时后的氧化层形貌特征。
图5是本发明实施例5所述钛硅合金样品在1000℃氧化180小时后的氧化层形貌特征。
五、具体实施方式
实施例1
原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：Ti 87.2，Si 7.9，Al 4.9的用料配比称取原料，用常规真空非自耗电弧炉制备得钛硅合金样品，利用Instron8801型材料试验系统对规格为5mm×5mm×10mm的此合金样品进行室温压缩性能测试，其弹性模量、抗压强度和断裂应变量分别为35187MPa、1561MPa、10.82％。将此合金样品放入高温箱式电阻炉中进行800℃恒温循环氧化试验，通过分析氧化增重曲线，在整个氧化阶段，此合金的耐高温氧化能力明显增强，且合金表面生成致密的氧化膜对合金具有良好保护作用。图1是此合金在800℃氧化200小时后的氧化层形貌特征。
实施例2
原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：Ti 85.4，Si 7.7，Al 6.9的用料配比称取原料，用常规真空非自耗电弧炉制备得钛硅合金样品，利用Instron8801型材料试验系统对规格为5mm×5mm×10mm的此合金样品进行室温压缩性能测试，其弹性模量、抗压强度和断裂应变量分别为33295MPa、1644.5MPa、9.86％。将此合金样品放入高温箱式电阻炉中进行900℃恒温循环氧化试验，通过分析氧化增重曲线，在整个氧化阶段，此合金的耐高温氧化能力明显增强，且合金表面生成致密的氧化膜对合金具有良好保护作用。图2是此合金在900℃氧化100小时后的氧化层形貌特征。
实施例3
原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：Ti 84.45，Si 7.65，Al 4.9，Nb 3.0的用料配比称取原料，用常规真空非自耗电弧炉制备得钛硅合金样品，利用Instron8801型材料试验系统对规格为5mm×5mm×10mm的此合金样品进行室温压缩性能测试，其弹性模量、抗压强度和断裂应变量分别为32870MPa、1498MPa、9.77％。将此合金样品放入高温箱式电阻炉中进行850℃恒温循环氧化试验，通过分析氧化增重曲线，在整个氧化阶段，此合金的耐高温氧化能力明显增强，且合金表面生成致密的氧化膜对合金具有良好保护作用。图3是此合金在850℃氧化350小时后的氧化层形貌特征。
实施例4
原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：Ti 79.86，Si 7.24，Al 4.9，Nb 8.0的用料配比称取原料，用常规真空非自耗电弧炉制备得钛硅合金样品，利用Instron8801型材料试验系统对规格为5mm×5mm×10mm的此合金样品进行室温压缩性能测试，其弹性模量、抗压强度和断裂应变量分别为38830MPa、1828MPa、8.48％。将此合金样品放入高温箱式电阻炉中进行850℃恒温循环氧化试验，通过分析氧化增重曲线，在整个氧化阶段，此合金的耐高温氧化能力明显增强，且合金表面生成致密的氧化膜对合金具有良好保护作用。图4是此合金在850℃氧化350小时后的氧化层形貌特征。
实施例5
原料组分及含量按重量百分比(wt％)为：Ti 81.0，Si 7.4，Nb 11.6的用料配比称取原料，用常规真空非自耗电弧炉制备得钛硅合金样品，利用Instron8801型材料试验系统对规格为5mm×5mm×10mm的此合金样品进行室温压缩性能测试，其弹性模量、抗压强度和断裂应变量分别为35630MPa、1528MPa、9.35％。将此合金样品放入高温箱式电阻炉中进行1000℃恒温循环氧化试验，通过分析氧化增重曲线，在整个氧化阶段，此合金的耐高温氧化能力明显增强，且合金表面生成致密的氧化膜对合金具有良好保护作用。图5是此合金在1000℃氧化180小时后的氧化层形貌特征。