CN102011195B - 一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法，属于金属材料制备领域。高铌钛铝合金采用等离子电弧或真空感应凝壳熔炼的铸态母合金锭为原料，高铌钛铝合金主要由Ti、Al、Nb等元素组成，母合金成分的原子百分比一般为：(44-49)Ti-(45-46)Al-(6-10)Nb，利用Bridgman定向凝固系统，通过二步定向凝固工艺过程，即利用一次Bridgman定向凝固后的棒料倒转180°后再次装入Bridgman系统，在相同定向凝固条件下进行二次定向凝固，成功制备了定向凝固高铌钛铝合金单晶。该加工工艺简单可靠，无需装配籽晶，适用性强，适合实际工程应用。利用该定向凝固方法制备的高铌钛铝合金单晶具有综合好的高温性能和室温塑性，在高温结构材料，尤其是航空发动机增压涡轮叶片等方面具有广阔的应用前景。

Description

一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法。 

技术背景

高铌钛铝基合金具有轻质、高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性等优点，并具有优异的常温和高温力学性能，使用温度可达到700-900℃，是航空、航天工业、兵器工业以及民用工业等领域的优秀候选高温结构材料之一。由于高铌钛铝合金的密度不足镍基高温合金的一半，同时具有与镍基高温合金相近的高温性能，使得高铌钛铝合金成为近些年来航空结构材料方面研究的热点。高铌钛铝合金单晶可替代单晶镍基高温合金应用于航空发动机等领域。 

普通的钛铝基合金具有本质脆性，室温塑性和断裂韧性差一直是阻碍其工业化应用的主要原因。钛铝合金中铌的加入在带来良好的高温性能的同时，也造成了其室温塑性和断裂韧性的损失。因此，室温脆性也是高铌钛铝合金实用化的主要障碍。为了发挥钛铝合金的性能优势，进一步推动其工业化应用的进程，与许多镍基等高温合金类似，许多学者试图通过获取钛铝基合金的单晶，使其最佳取向性能与承载方向一致，从而提高其断裂韧性、蠕变强度、塑性等其他力学性能，为其提供了更广阔的应用前景。 

钛铝合金的单晶，也称为PST晶体，室温下是α₂+γ全片层组织，当片层方向与应力轴方向平行时，有综合好的断裂强度及塑性。钛铝合金的单晶组织通常采用籽晶法制备。籽晶法是通过先选取籽晶，将母合金与籽晶进行装配后再进行定向凝固，凝固时让母合金沿着籽晶的方向继续生长。要制备片层方向与生长方向平行的钛铝合金的单晶，首先需通过定向凝固或其它方法制备成有大面积片层取向一致组织的钛铝籽晶原料，再从其中有一致片层取向的部分切取适当大小的籽晶料，调整位向使其片层方向与生长方向平行，并与钛铝母合金装配好，最后再在适当条件下的进行定向凝固，使籽晶继续生长，最后形成单晶。作为籽晶材料，它必须满足片层热稳定性好，在加热和冷却过程中片层方向不发生改变的钛铝合金成分，如果在定向凝固前的加热和定向凝固后的冷却过程中片层位向发生改变，就达不到控制片层方向，形成单晶的目的。目前几乎所有国内外研究都选取籽晶材料原子含量成分为54Ti-43Al-3Si的钛铝合金，S.E.Kim在Mater.Sci.Eng.A，329-331：25-30，2002，Directional solidification of TiAl base alloys using a polycrystalline seed中指出，其合金在一次定向凝固后能获得片层方向垂直于生长方向的片层组织，经过切取籽晶料体并将其旋转90°后方可作为籽晶引导母合金料制备片层方向与生长方向平行的单晶钛铝合金。 

籽晶法制备钛铝合金的单晶工艺复杂，且在籽晶的制备、切取、装配等过程中均不容易准确掌握片层取向，往往造成籽晶法制备单晶的失败，同时还由于籽晶成分与母合金化学成分不完全相同，导致制备的钛铝合金单晶的头部、中间与顶端存在明显的化学成分差异，进而会造成单晶性能在不同位置的差别，不利于航空发动机叶片等实际的工业应用。复杂的工艺制备与技术缺陷严重阻碍了钛铝合金单晶的技术应用。 

因此，开发适合工业应用的高温高性能高铌钛铝合金单晶的简单定向凝固工艺制备方法具有非常重要的实际应用价值。它不仅带来钛 铝合金单晶的制备方法上的革新，而且会进一步促进高铌钛铝合金的工业化进程。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单且适合工业应用的定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法。 

高铌钛铝合金成分的原子百分比组成为：(44-49)Ti-(45-46)Al-(6-10)Nb，制备高铌钛铝合金单晶时，只需要采用二步Bridgman定向凝固过程，其中第一次定向凝固过程使得定向凝固合金料棒的顶部形成择优生长的片层方向一致的单个片层团显微组织，将第一次定向凝固料棒倒转180°进行第二次定向凝固时，单个片层团自身起到了籽晶的作用，它会沿择优方向继续长大，最终形成单晶。具体制备工艺如下： 

(1).母合金熔炼：用等离子电弧或真空感应凝壳对原子比为(44-49)Ti-(45-46)Al-(6-10)Nb成分的原料合金进行熔炼，并浇铸成母合金锭； 

(2).将铸态母合金锭电火花切割成Φ(3-50)×(50-1000)mm的圆柱体料棒，并装入有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固系统中进行首次定向凝固，定向凝固过程中控制生长速度为5-200μm/s，温度梯度为1-10K/mm； 

(3).首次定向凝固完成后，取出料棒，并对其表面进行打磨处理，而后将一次定向凝固合金棒倒转180°，再次装入有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固系统中进行定向凝固，二次定向凝固过程的生长速度和温度梯度均与首次定向凝固相同； 

(4).取出二次定向凝固后的高铌钛铝合金，表面再次进行打磨处理，即可得到高铌钛铝合金单晶。 

所述步骤(2)中，是将圆柱体料棒装入有380Pa或380Pa以上的高纯氩气保护的Bridgman定向凝固系统中进行首次定向凝固。 

所述步骤(2)中将铸态母合金锭电火花切割成Φ6×100mm的圆柱体料棒。 

所述步骤(2)中的Bridgman定向凝固系统主要由抽拉运动系统、加热重熔系统及金属液冷却系统组成，加热方式为电阻加热或高频感应加热，加热温度可调范围为室温至2000℃之间，冷却液为液态镓铟合金，抽拉系统的移动速度可调范围为1-1000μm/s。 

所述步骤(3)中，是将倒转后的定向凝固合金棒再次装入有380Pa或380Pa以上的高纯氩气保护的Bridgman定向凝固系统中。 

所述步骤(3)中，二次定向凝固过程中的生长速度与温度梯度均与步骤(2)中的相同。 

本发明的优点在于：在定向凝固过程中无需装配籽晶，只需要采用二次Bridgman定向凝固过程就能制备高铌钛铝合金的单晶，且在其单晶显微组织中，片层方向可与单晶的生长方向平行。 

附图说明

图1是Bridgman定向凝固系统结构简图； 

图中： 

1.坩埚，2.固态原料棒，3.合金熔体，4.加热线圈，5.隔热板，6.凝固的金属，7.夹具及抽拉机构，8.冷却合金； 

图2是二次Bridgman定向凝固高铌钛铝合金单晶的纵截面光学显微组织图片(图中定向凝固方向水平向右)； 

图3是定向凝固高铌钛铝合金单晶的纵截面光学显微组织放大图片(图中定向凝固方向垂直向上)； 

图4是定向凝固高铌钛铝合金单晶的横截面光学显微组织图片； 

图5是定向凝固高铌钛铝合金单晶的电子显微镜图片(图中定向 凝固方向垂直向上)； 

具体实施方式

运用等离子电弧或真空感应凝壳熔炼成分比(原子百分比)为(44-49)Ti-(45-46)Al-(6-10)Nb的母合金铸造成锭，而后线切割成圆柱体(Φ6×100mm)试样后进行定向凝固，具体实施方式如下： 

实施例1 

图1是Bridgman定向凝固系统结构简图，如图1所示：将成分为49Ti-45Al-6Nb(原子百分比)的圆柱体(Φ6×100mm)母合金棒状试样表面进行打磨，去除表面的氧化层及杂质，而后装入陶瓷坩埚中，将坩埚安放在Bridgman定向凝固系统内的抽拉机构底座上，将系统抽真空至3×10^-3Pa后，再充入高纯氩气到380Pa；打开定向凝固系统加热电源，使合金熔化并控制合金熔体中的温度梯度为1K/mm，设定定向凝固速度为5μm/s，保持电源功率及熔体中温度梯度不变开始定向凝固；待试样拉伸100mm后，关闭电源将系统冷却至室温，通入空气并打开真空室取出坩埚，轻轻敲碎坩埚，取出试样，并对其表面进行打磨处理。将首次定向凝固获得的棒状定向凝固试样再次放入陶瓷坩埚并装入Bridgman定向凝固系统内的抽拉机构底座上，按照上面的步骤再次进行第二次定向凝固，保持第二定向凝固温度梯度和定向凝固速度与第一次相同。待第二次定向凝固也结束，定向凝固系统冷却到室温后取出二次定向凝固后的棒状合金料，表面进行打磨处理即可得定向凝固高铌钛铝49Ti-45Al-6Nb合金单晶。图2是二次Bridgman定向凝固高铌钛铝合金单晶的纵截面光学显微组织图片，图中定向凝固方向水平向右；图3是定向凝固高铌钛铝合金单晶的纵截面光学显微组织放大图片，图中定向凝固方向垂直向上；图4是定向凝固高铌钛铝合金单晶的横截面光学显微组织图片；图5是定向凝固高铌钛铝合金单晶的电子显微镜图片，图中定向凝固方向垂直向上。 

实施例2 

将成分为44Ti-46Al-10Nb(原子百分比)的圆柱体(Φ10×500mm)母合金棒状试样表面进行打磨，去除表面的氧化层及杂质，而后装入陶瓷坩埚中，将坩埚安放在Bridgman定向凝固系统内的抽拉机构底座上，将系统抽真空至3×10^-3Pa后，再充入高纯氩气到500Pa；打开定向凝固系统加热电源，使合金熔化并控制合金熔体中的温度梯度为5K/mm，设定定向凝固速度为100μm/s，保持电源功率及熔体中温度梯度不变开始定向凝固；待试样拉伸500mm后，关闭电源将系统冷却至室温，通入空气并打开真空室取出坩埚，轻轻敲碎坩埚，取出试样，并对其表面进行打磨处理。将首次定向凝固获得的棒状定向凝固试样再次放入陶瓷坩埚并装入Bridgman定向凝固系统内的抽拉机构底座上，按照上面的步骤再次进行第二次定向凝固，保持第二定向凝固温度梯度和定向凝固速度与第一次相同。待第二次定向凝固也结束，定向凝固系统冷却到室温后取出二次定向凝固后的棒状合金料，表面进行打磨处理即可得定向凝固高铌钛铝44Ti-46Al-10Nb合金单晶。 

实施例3 

将成分为47Ti-45Al-8Nb(原子百分比)的圆柱体(Φ20×1000mm)母合金棒状试样表面进行打磨，去除表面的氧化层及杂质，而后装入陶瓷坩埚中，将坩埚安放在Bridgman定向凝固系统内的抽拉机构底座上，将系统抽真空至2×10^-3Pa后，再充入高纯氩气到600Pa；打开定向凝固系统加热电源，使合金熔化并控制合金熔体中的温度梯度为10K/mm，设定定向凝固速度为200μm/s，保持电源功率及熔体中温度梯度不变开始定向凝固；待试样拉伸1000mm后，关闭电源将系统冷却至室温，通入空气并打开真空室取出坩埚，轻轻敲碎坩埚，取出试样，并对其表面进行打磨处理。将首次定向凝固获得的棒状定向 凝固试样再次放入陶瓷坩埚并装入Bridgman定向凝固系统内的抽拉机构底座上，按照上面的步骤再次进行第二次定向凝固，保持第二定向凝固温度梯度和定向凝固速度与第一次相同。待第二次定向凝固也结束，定向凝固系统冷却到室温后取出二次定向凝固后的棒状合金料，表面进行打磨处理即可得定向凝固高铌钛铝47Ti-45Al-8Nb合金单晶。 

Claims (5)

1.一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法，其特征在于：所述定向凝固高铌钛铝合金单晶成分的原子百分比为：(44-49)Ti-(45-46)Al-(6-10)Nb，制备工艺包括以下步骤：

(1).母合金熔炼：用等离子电弧或真空感应凝壳对原子比为(44-49)Ti-(45-46)Al-(6-10)Nb成分的原料合金进行熔炼，并浇铸成母合金锭；

(2).将铸态母合金锭电火花切割成Φ(3-50)×(50-1000)mm的圆柱体料棒，并装入有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固系统中进行首次定向凝固，定向凝固过程中控制生长速度为5-200μm/s，温度梯度为1-10K/mm；

(3).首次定向凝固完成后，取出料棒，并对其表面进行打磨处理，而后将一次定向凝固合金棒倒转180°，再次装入有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固系统中进行定向凝固，二次定向凝固过程的生长速度和温度梯度均与首次定向凝固相同；

(4).取出二次定向凝固后的高铌钛铝合金，表面再次进行打磨处理，即可得到高铌钛铝合金单晶。

2.根据权利要求1所述的一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，是将圆柱体料棒装入有380Pa或380Pa以上的高纯氩气保护的Bridgman定向凝固系统中进行首次定向凝固；

所述步骤(2)中定向凝固前须将铸态母合金锭电火花切割成Φ6×100mm的圆柱体料棒。

3.根据权利要求1所述的一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的Bridgman定向凝固系统主要由抽拉运动系统、加热重熔系统及金属液冷却系统组成，加热方式为电阻加热或高频感应加热，加热温度可调范围为室温至2000℃之间，冷却液为液态镓铟合金，抽拉系统的移动速度可调范围为1-1000μm/s。

4.根据权利要求1所述的一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，是将倒转后的定向凝固合金棒再次装入有380Pa或380Pa以上的高纯氩气保护的Bridgman定向凝固系统中。

5.根据权利要求1所述的一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，二次定向凝固过程中的生长速度与温度梯度均与步骤(2)中的相同。

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