一种Ti-Al-Mn系金属间化合物及其制备方法和应用与流程

本发明属于金属间化合物，具体涉及一种ti-al-mn系金属间化合物，及其制备方法和应用。

背景技术：

1、tial基合金因密度低、比强度高、高温抗蠕变性能优异，是替代传统镍基高温合金的理想轻质高温结构材料。其中，以ti-42al-5mn为代表的含mnβ凝固γ-tial合金，通过添加mn元素稳定了β相，改善了传统tial合金的凝固偏析问题，具备了较好的热加工性能。

2、然而，mn元素的引入也导致该合金在750至850℃高温服役环境下的抗氧化性能下降。在高温氧化时，合金表面难以形成连续、稳定的al2o3保护膜，取而代之的是疏松多孔的tio2氧化层。这种氧化层在热循环应力作用下容易开裂、剥落，使新鲜基体反复暴露，加速了氧化进程。这一性能瓶颈限制了该低成本tial合金的工程化应用。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种ti-al-mn系金属间化合物，所述ti-al-mn系金属间化合物的组成以原子百分比计为：al 40%至44%，mn 1.0%至5.0%，zr 1.0%至2.0%，余量为ti和不可避免的微量杂质。

2、优选的，所述ti-al-mn系金属间化合物的组成以原子百分比计为：al 42%，mn 5%，zr 1.0%至2.0%，余量为ti和不可避免的微量杂质。

3、优选的，所述ti-al-mn系金属间化合物在800℃静态空气氛围下100小时循环氧化试验中，单位面积氧化增重低于1.15毫克每平方厘米，其中zr添加量为2%的合金氧化层无剥落现象。

4、本发明还公开一种ti-al-mn系金属间化合物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

5、根据原子百分比提供ti、al、mn、zr元素的原材料；

6、将所述原材料进行真空熔炼，保温搅拌后浇注得到合金铸锭；

7、将合金铸锭进行线切割、打磨清洗，得到所述ti-al-mn系金属间化合物试样。

8、优选的，为真空感应熔炼、真空自耗熔炼或感应凝壳熔炼中的任一种。

9、优选的，所述熔炼过程中，炉腔真空度低于1×10-2帕斯卡，充入惰性气体作为保护气氛，保护气氛的压力为0.04兆帕至0.1兆帕。

10、优选的，所述原材料包括海绵钛、工业纯铝、纯锰、纯锆，其中海绵钛纯度不低于99.7重量百分比，工业纯铝、纯锰、纯锆的纯度均不低于99.99重量百分比。

11、本发明还公开一种ti-al-mn系金属间化合物在制造耐高温氧化工件中的应用。

12、优选的，所述耐高温氧化工件为汽车燃油发动机气门、航空发动机燃气轮机涡轮叶片、航空发动机燃气轮机导向器、高超声速飞行器鼻锥、高超声速飞行器机翼前缘或核工业超高温气冷堆结构件。

13、本发明的优点和有益效果如下：

14、1、本发明首次系统研究了0~2%zr合金化对含锰β-γ-tial 合金循环氧化行为的影响，明确了zr元素抗氧化作用的临界含量阈值，揭示了低含量zr加剧氧化、高含量zr提升抗氧化性能的差异化作用规律，填补了该领域的研究空白。

15、2、本发明通过1.0~2.0%zr的合金化设计，从促进al选择性氧化、细化氧化膜晶粒、提升氧化膜致密性、抑制氧化膜开裂剥落四个维度，实现了 ti-al-mn系合金高温循环抗氧化性能的显著提升，2%zr添加可使合金氧化增重降低44.8%，完全抑制氧化层剥落。

16、3、本发明提供的合金制备方法，完全适配现有 tial 合金工业化真空熔炼与热加工工艺，无需新增特殊设备，工艺简单可控，可实现规模化制备，同时保留了含锰 tial 合金优异的无包套热加工性能，兼顾了材料的成型性与高温服役性能。

17、4、本发明开发的zr改性 ti-al-mn系金属间化合物，兼具低成本、易加工、高抗氧化性的优势，可广泛应用于航空航天、汽车动力等领域的高温服役构件，有力推动了该类tial 合金的工程化应用进程。

1.一种ti-al-mn系金属间化合物，其特征在于，所述ti-al-mn系金属间化合物的组成以原子百分比计为：al 40%至44%，mn 1.0%至5.0%，zr 1.0%至2.0%，余量为ti和不可避免的微量杂质。

2.根据权利要求1所述的一种ti-al-mn系金属间化合物，其特征在于，所述ti-al-mn系金属间化合物的组成以原子百分比计为：al 42%，mn 5%，zr 1.0%至2.0%，余量为ti和不可避免的微量杂质。

3.根据权利要求1所述的一种ti-al-mn系金属间化合物，其特征在于，所述ti-al-mn系金属间化合物在800℃静态空气氛围下100小时循环氧化试验中，单位面积氧化增重低于1.15毫克每平方厘米，其中zr添加量为2%的合金氧化层无剥落现象。

4.一种如权利要求1至3中任一项所述的ti-al-mn系金属间化合物的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：根据原子百分比提供ti、al、mn、zr元素的原材料；将所述原材料进行真空熔炼，保温搅拌后浇注得到合金铸锭；将合金铸锭进行线切割、打磨清洗，得到所述ti-al-mn系金属间化合物试样。

5.根据权利要求4所述的一种ti-al-mn系金属间化合物的制备方法，其特征在于，所述熔炼的方法为真空感应熔炼、真空自耗熔炼或感应凝壳熔炼中的任一种。

6.根据权利要求4所述的一种ti-al-mn系金属间化合物的制备方法，其特征在于，所述熔炼过程中，炉腔真空度低于1×10-2帕斯卡，充入惰性气体作为保护气氛，保护气氛的压力为0.04兆帕至0.1兆帕。

7.根据权利要求4所述的一种ti-al-mn系金属间化合物的制备方法，其特征在于，所述原材料包括海绵钛、工业纯铝、纯锰、纯锆，其中海绵钛纯度不低于99.7重量百分比，工业纯铝、纯锰、纯锆的纯度均不低于99.99重量百分比。

8.一种如权利要求1至3中任一项所述的ti-al-mn系金属间化合物在制造耐高温氧化工件中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述耐高温氧化工件为汽车燃油发动机气门、航空发动机燃气轮机涡轮叶片、航空发动机燃气轮机导向器、高超声速飞行器鼻锥、高超声速飞行器机翼前缘或核工业超高温气冷堆结构件。