CN102449176B - 生产β-γ-TiAl基合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过真空电弧再熔而生产经由β-相固化的γ-TiAl基合金的方法，其具有以下方法步骤：在至少一个第一真空电弧再熔步骤中将与待生产的β-γ-TiAl基合金相比具有不足含量的钛和至少一种β-稳定元素的传统γ-TiAl初级合金的基础熔融电极(2)熔融，将一定量的钛和/或β-稳定元素以在基础熔融电极的长度和周边的均匀分布而分配给基础熔融电极(2)，和在最后真空电弧再熔步骤中将分配量的钛和β-稳定元素熔合在基础熔融电极中以形成均相β-γ-TiAl基合金。

Description

生产β-γ-TiAl基合金的方法
本发明涉及通过真空电弧再熔(VAR)生产β-γ-TiAl基合金的方法，其主要经由β-相完全或至少部分固化。这类最终合金在下文称为β-γ-TiAl基合金。
本发明的技术领域是在熔融冶金过程中通过真空电弧再熔(VAR)生产β-γ-TiAl合金。在现有技术方法中，将原料海绵钛、铝以及合金元素与母合金压实以形成含有合适化学计量比的所需合金组分的压坯(compactbody)。如果需要，预先补偿随后的熔融方法导致的蒸发损失。将压坯通过等离子熔炼(PAM)直接熔融形成所谓的铸锭或将它们组装形成自耗电极，然后将其熔融形成铸锭(VAR)。在两种情况下，生产的均是其化学和结构均匀性不适于技术使用且因此需要再熔至少一次的材料(参见V.Guether：“Microstructure and Defects in γ-TiAl based Vacuum Arc Remelted IngotMaterials”，3rd Int.Symp.On Structural Intermetallics，2001年9月，Jackson Hole WY，美国)。
DE 10156336A1公开了一种生产合金铸锭的方法，其包括以下方法步骤：
(i)通过以通常方式混合和压实所选择的材料而生产电极；
(ii)以传统熔融冶金方法将(i)中所得电极再熔至少一次；
(iii)在高频线圈中将(i)或(ii)中所得电极感应熔融；
(iv)将(iii)中所得熔体在冷壁感应坩埚中均化；和
(v)将通过冷却固化的熔体以具有可自由选择直径的块体的形式从(iv)所用冷壁感应坩埚中取出。
DE 19581384T1描述了金属间TiAl化合物及其生产方法，其中通过在1300-1400℃的温度下热处理Ti浓度为42-48原子％、Al浓度为44-47原子％、Nb浓度为6-10原子％和Cr浓度为1-3原子％的合金而生产合金。
DE 19631583A1公开了生产合金的TiAl-Nb产物的方法，其中合金电极在第一步骤中由合金组分生产。合金电极通过将合金组分压实和/或烧结以形成电极而形成。通过感应线圈将电极熔融。
JP 02277736A公开了耐热TiAl基合金，其中将具体量的V和Cr加入金属间TiAl化合物中以改进其耐热性和延性。
最后，DE 1179006A公开了含有稳定钛的α-和β-相的元素的三元或更高钛氯合金。
使用自耗电极的真空电弧再熔方法是当等离子熔炼炉通常不用于提供压实铸锭(compact ingot)形式的原料时用于再熔的常用方法。在包含α2-TiAl3相和γ-TiAl相的层状晶团(colony)的传统两相γ-TiAl基合金的实例中，真空电弧再熔炉(VAR炉)中的再熔毫不困难地进行使得得到所需结果(参见V.Guether：“Status and PRospects of γ-TiAl Ingot Production”；Int.Symp.On Gamma Titanium Aluminides 2004，编者H.Clemens，Y.-W.Kim和A.H.Rosenberger，San Diego，TMS 2004)。
新一代γ-TiAl高性能材料如申请人的所谓
Figure BDA0000114136870000021
合金具有不同于传统TiAl合金的结构。特别是通过将铝含量降至通常40-45.5原子％和通过加入β-稳定元素如Cr、Cu、Hf、Mn、Mo、Nb、V、Ta和Zr，在β-Ti-相中得到主固化路径。结果是包含层状α2/γ晶团以及球状β晶粒和球状γ晶粒，有时甚至球状α2晶粒的非常细的结构。具有该结构的材料具有在其热力学性能及其通过成型技术可加工性方面的决定性优点(参见H Clemens：“Design of Novel β-Solidifying TiAl Alloys with Adjustable β/B2-phaseFraction and Excellent Hot-Workability”，Advanced EngineeringMaterials 2008，10，No.8，第707-713页)。如开头已述，这类合金在下文称为β-γ-TiAl基合金。
缺点是当将该材料的电极在VAR炉中再次再熔时，形成裂纹，其通常导致自耗合金电极的组分在初始熔融区中从电极上剥去。这些碎片落入熔池中，它们在那里未完全再次再熔。这导致铸锭的结构缺陷，因此铸锭材料不再适合使用。在这些条件下，在VAR炉中再熔不再可能是技术可再生方式。
不理想的切削行为被认为是通过在共析温度与β单相区的相极限温度之间的温度范围的巨大相移导致的。特别是在相移的情况下，各个相组分的不同线性膨胀系数导致合金的积分线性热膨胀系数突然变化，这导致超过材料在给定温度范围内的稳定性的内应力。
Figure BDA0000114136870000031
-B1-合金(Ti-43.5AL-4.0Nb-1.0Mo-0.1B原子％)中的相应膨胀计测量显示相应合金试样的线性膨胀系数大于1000-1200℃的温度范围内多倍，换言之它由9×10-6提高至40×10-6K-1。该行为显示于附图4中，其中曲线A代表该合金的线性膨胀系数。线R代表试样的加热速率。
在VAR熔融期间，由电极低端的熔融温度(约1570℃)至电极悬浮液的几乎环境温度的温度场相对于自耗电极的长度贯穿该材料。靠近熔体前面，达到1000-1200℃的临界温度范围。在该区中，金属间材料相对差的延性导致由于那里发生的应力而在该区中形成裂纹，其又如上所述导致未熔融的片从电极上剥离。
基于所述现有技术问题，本发明的目的是提供经由β-相固化而生产γ-TiAl基合金-下文称为β-γ-TiAl基合金-的方法以确保这种最终合金的可靠生产，同时防止裂纹形成的问题。
该目的如下通过权利要求1中所述方法步骤实现：
-在至少一个真空电弧再熔步骤中通过将与待生产的β-γ-TiAl基合金相比含有不足的钛和/或至少一种β-稳定元素的传统γ-TiAl初级合金熔融而形成基础熔融电极；
-将一定量的钛和/或β-稳定元素以在基础熔融电极的长度和周边的均匀分布而分配给基础熔融电极，所述量对应于钛和/或β-稳定元素的减少量；
-将分配量的钛和/或β-稳定元素加入基础熔融电极中以在最后真空电弧再熔步骤中形成均相β-γ-TiAl基合金。
在真空电弧再熔期间的连续再熔步骤因此再分为在第一再熔步骤中熔融初级合金，其中基础熔融电极由传统γ-TiAl初级合金形成，和在最后的再熔步骤中将所需β-γ-TiAl基合金形式的最后合金熔融。初级合金含有不足的钛和/或不足的β-稳定元素如Nb、Mo、Cr、Mn、V和Ta。当生产压实基础熔融电极时，将限定量的钛和/或β-稳定元素从合金中除去，因此初级合金的铝含量优选为45原子％(特别优选45.5原子％)-50原子％。以使得初级合金的固化至少部分经由包晶转变进行的方式选择铝和β-稳定元素的含量。因此，实现类似于传统TiAl合金且可毫不困难地在VAR炉中加工的结构。
在最后再熔步骤中，最终合金通过加入起初从压坯电极中除去的材料而再生产。优选，将这些材料以涂层的形式牢固地焊接在熔融电极的外围表面上以形成复合电极以防止固化材料落入熔池中。还可通过在VAR炉的再熔模具内侧上形成不足合金组分的内衬而实现。
令人惊讶的是原来通过适当选择和均匀分布不足合金组分至电极的外围表面上，不会存在β-γ-TiAl基合金形式的待生产最终合金的新铸锭的局部化学均匀性的不利后果。
本发明生产方法的其它优选实施方案陈述于其它从属权利要求中，其细节和特征通过以下附图而由随后的实施方案描述获悉，其中：
图1显示真空电弧再熔炉的示意草图；
图2为第一实施方案中的复合电极的透视图；
图3为第二实施方案中的复合电极的透视图；
图4显示线性膨胀系数作为
Figure BDA0000114136870000041
-B1合金的温度的函数的图。
图1用于解释真空电弧再熔炉1和将相应电极2再熔形成铸锭3的方法的概况。VAR炉1包括具有底板5的铜坩埚4。该铜坩埚4由包含水入口7和排水8的水冷却涂层6包围。此外，通过真空钟罩9将铜坩埚4由上部密封，可垂直放置的提升杆10穿过所述真空钟罩9上部。该提升杆10具有保持器11，实际电极2由其中悬吊下来。
借助直流电源12在铜坩埚4与提升杆10之间施加直流电压，这导致高电流电弧点火并保持在与提升杆10电连接的电极2与铜坩埚4之间。这导致电极2熔融，其中熔融合金材料收集在它在其中固化的铜坩埚4中。将电极2在连续方法中依次再熔以形成铸锭3，其中电弧经电极弧隙13由自耗电极2延伸至铸锭3上端的熔融储蓄器14；在该过程中，将合金组分均化。
该过程可使用具有提高直径的熔融坩埚重复数次，其中一个再熔步骤的铸锭然后用作下一再熔步骤中的电极。因此，待生产的铸锭的均化度在各个再熔步骤中被改进。
以下是用于生产β-γ-TiAl基合金的几个实施例的描述。
实施例1
β-γ-TiAl基合金的最终组成为Ti-43.5Al-4.0Nb-1.0Mo-0.1B(原子％)或Ti-Al28.6-Nb9.1-Mo2.3-B0.03(质量％)。通过降低钛含量确定用于基础熔融电极的初级电极的组成为Ti-45.93Al-4.22Nb-1.06Mo-0.11B(原子％)。在第一步骤中，以如上关于压坯电极2所述传统方法通过双VAR熔融，同时不导致裂纹形成，而生产直径为200mm且长为1.4m的初级合金的铸锭3。用于生产压坯电极2的材料为海绵钛、纯铝和母合金。
为将基础熔融电极中降低的钛含量提高至最终合金中所需的β-γ-TiAl基合金量，将来自初级合金的铸锭3的整个外围表面包在厚度为3mm(质量12kg)的纯钛片15中，所述钛片如图2所示部分焊接在铸锭3的外围表面16上。在该方法中，钛片15的上缘17跨越铸锭3的整个周边焊接在铸锭3上。此外，焊点18分布在外围表面16上。以该方式组装的自耗电极用作最后熔融步骤中在VAR炉1中的复合电极19，它在所述炉中再熔形成具有280mm的直径和最终合金组成的铸锭3。
实施例2
最终组成、所用材料和初级合金的组成对应于实施例1的最终组成、所用材料和初级合金的组成。通过压坯电极2的简单VAR熔融，初级合金转变成直径为140mm且长为1.8m的铸锭3。铸锭的质量为115kg。在基础熔融电极2的最后熔融过程中，由铜坩埚4形成的VAR炉1的模具在其内围表面衬有具有以下尺寸的纯钛片：周长628mm×高880mm×厚3mm(质量7.6)。换言之，最终组成通过形成基础熔融电极2的初级合金铸锭的组成与钛片的组成组合而得到。基础熔融电极2在衬有钛片的铜坩埚4中以钛片外皮不完全熔融使得保持稳定外壳的方式再熔以形成中间电极。在随后中间电极的最后VAR熔融步骤中，可能形成裂纹；然而，通过延性外皮的机械稳定作用防止了电极材料落入熔体储蓄器14中。
实施例3
最终组成、所用材料以及初级合金的组成和复合电极19的生产对应于实施例1。与实施例1对比，复合电极19的最终再熔步骤在所谓的“VAR熔渣器”，换言之包括水冷、可倾斜铜熔融坩埚中进行。将“炉瘤”中的最终合金的熔融材料铸成排列在旋转圆形铸锭机上的不锈钢永久模具。因此通过离心浇铸产生的铸件用作用于由最终合金生产各组件的初级材料。
实施例4
根据US 6,669,791的β-γ-TiAl合金分别具有Ti-43.0Al-6.0V(原子％)或Ti-Al29.7-V7.8(质量％)的组成(最终合金)。通过完全减少高β-稳定元素钒而确定初级合金的组成分别为Ti-45.75Al(原子％)或Ti-Al32.2(质量％)。所用材料为海绵钛、铝和钒。在第一步骤中，直径为200mm且长为1m的基础熔融电极2通过双重VAR熔融而作为二元TiAl初级合金的铸锭产生(质量126kg)。如图3所示，将直径为16.7mm且长为1m且每种情况下偏移45°以均匀分布在基础熔融电极2周边的8个钒棒20(总质量10.7kg)沿着电极2的整个外围表面16以平行于纵轴的方向焊接在电极2的周边。在最后第三熔融过程中，将因此由二元初级合金和焊接在其上的钒棒20形成的复合电极19’在VAR炉1中再熔以形成具有最终合金且直径为300mm的铸锭。
实施例5
γ-TiAl合金的最终组成对应于实施例1中合金的最终组成(Ti-43.5Al-4.0Nb-1.0Mo-0.1B原子％)。通过钼含量的完全降低和钛含量的部分降低，确定初级合金的组成为Ti-49.63Al-4.57Nb-0.11B(原子％)。通过双重VAR熔融，将初级合金转变成直径为200mm且长为1m的基础熔融电极2。铸锭的质量为126kg。与实施例4类似，将由商业合金TiMo15组成的8个棒以与纵轴平行的方向焊接在电极2的外围表面16。棒的直径为26mm，棒的长度对应于铸锭的长度。TiMo15棒的总质量为19.6kg。在最后第三熔融过程中，将因此由初级合金铸锭和8个TiMo15棒形成的复合电极在VAR炉1中再熔以形成直径为300mm的最终合金铸锭。

Claims (13)

1.通过真空电弧再熔生产β-γ-TiAl基合金的方法，其中β-γ-TiAl基合金为经由β-相固化的γ-TiAl基合金，所述方法的特征在于以下方法步骤：-在至少一个真空电弧再熔步骤中通过将与待生产的β-γ-TiAl基合金相比含有不足的钛和/或至少一种β-稳定元素的传统γ-TiAl初级合金熔融而形成基础熔融电极；
-将一定量的钛和/或β-稳定元素以在基础熔融电极的长度和周边的均匀分布而分配给基础熔融电极，所述量相当于钛和/或β-稳定元素的减少量；
-在最后真空电弧再熔步骤中将分配量的钛和/或β-稳定元素加入基础熔融电极中以形成均相β-γ-TiAl基合金。
2.根据权利要求1的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于传统γ-TiAl基合金的基础熔融电极(2)具有45-50原子%的铝含量。
3.根据权利要求1的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于基础熔融电极(2)具有不足的钛和/或至少一种在TiAl合金中具有β-稳定效果的选自B、Cr、Cu、Hf、Mn、Mo、Nb、Si、Ta、V和Zr的元素。
4.根据权利要求2的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于基础熔融电极(2)具有不足的钛和/或至少一种在TiAl合金中具有β-稳定效果的选自B、Cr、Cu、Hf、Mn、Mo、Nb、Si、Ta、V和Zr的元素。
5.根据前述权利要求1-4中任一项的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于基础熔融电极(2)通过将包含均匀分布的基础熔融电极(2)的合金组分的压坯电极单次或多次再熔而生产。
6.根据权利要求1-4中任一项的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于为了将对应于钛和/或β-稳定元素的缺乏量的量的钛和/或β-稳定元素分配给基础熔融电极，生产由基础熔融电极(2)和具有在其周边和长度上恒定的相应厚度的钛和/或β-稳定元素的层(15)组成的第一复合电极(19)。
7.根据权利要求5的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于为了将对应于钛和/或β-稳定元素的缺乏量的量的钛和/或β-稳定元素分配给基础熔融电极，生产由基础熔融电极(2)和具有在其周边和长度上恒定的相应厚度的钛和/或β-稳定元素的层(15)组成的第一复合电极(19)。
8.根据权利要求6的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于层(15)由沿着基础熔融电极(2)的长度延伸的钛片涂层组成。
9.根据权利要求8的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于钛片涂层通过均匀分布在基础熔融电极的外围表面(16)的焊点(18)和/或通过沿着基础熔融电极整个周边的焊接电极的上部边缘延伸的焊缝固定在基础熔融电极上。
10.根据权利要求8的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于钛片涂层通过在真空电弧熔炼炉(1)的再熔模具(4)内侧上的涂层内衬形成，其中钛片涂层在中间再熔步骤中被熔合在基础熔融电极(2)上以形成中间电极，然后在最后真空电弧熔融步骤中将中间电极再熔以形成均相β-γ-TiAl基合金。
11.根据权利要求1-4中任一项的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于为了将对应于钛和/或β-稳定元素的缺乏量的量的钛和/或β-稳定元素分配给基础熔融电极，形成由基础熔融电极(2)和数个具有相应厚度的由钛和/或β-稳定元素组成的棒(20)组成的第二复合电极(19’)，所述棒(20)平行于基础熔融电极(2)的纵轴排列且均匀分布在基础熔融电极(2)的周边。
12.根据权利要求5的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于为了将对应于钛和/或β-稳定元素的缺乏量的量的钛和/或β-稳定元素分配给基础熔融电极，形成由基础熔融电极(2)和数个具有相应厚度的由钛和/或β-稳定元素组成的棒(20)组成的第二复合电极(19’)，所述棒(20)平行于基础熔融电极(2)的纵轴排列且均匀分布在基础熔融电极(2)的周边。
13.根据权利要求1-4中任一项的生产β-γ-TiAl基合金的方法，其特征在于用于形成均相β-γ-TiAl基合金的最后真空电弧熔融步骤在真空电弧熔渣装置中进行，其后以失蜡或模铸方法浇铸熔融的β-γ-TiAl基合金材料以形成β-γ-TiAl基合金铸件。
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