CN103074536A - 一种碳硅钨钇片层组织高铌钛铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种碳硅钨钇片层组织高铌钛铝合金及其制备方法，合金属于γ-TiAl合金，其名义成分为：Al：45.0%～48.0%、Nb：5.0%～8.0%、C：0.5%～1%、Si：0.1%～0.5%、W：1.0%～2.0%、Y：0.1%～0.5%，其余为Ti，利用电弧熔炼制备纽扣锭，通过悬浮熔炼吸铸成圆柱形试棒，采用光学浮区法对试棒进行定向凝固，获得片层组织高铌钛铝合金试样。与普通钛铝合金相比，该合金能够进一步细化晶粒、提高强度、硬度，且具有良好的抗氧化性和抗蠕变性，能够弥补室温脆、塑性较差的缺点。同时，利用光学浮区法来进行定向凝固，不仅可以获得取向片层组织，极大地提高合金的断裂韧性、蠕变强度、室温塑性等性能，而且具有无需坩埚、无污染、生长速度快等优点。

Description

一种碳硅钨钇片层组织高铌钛铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高温合金领域，特别是涉及一种添加碳硅钨钇的片层组织高铌钛铝合金及其制备方法。

技术背景

随着航空航天、汽车等工业领域的发展，人们在追求更高效率和更高性能时通常会受到材料性能极限的制约，无法进一步满足对材料性能的要求。因此，新型材料的开发和利用已经迫在眉睫。在高温合金领域，高温金属间化合物具有低的密度、高的熔点、比强度和高温强度以及良好的抗氧化性和抗蠕变性等优点。因此，高温金属间化合物的出现使人们看到了新的希望。人们希望通过对高温金属间化合物的研究来发掘更高效率和更高性能的潜力。因此，高温金属间化合物的研究已成为近年来材料科学中一个十分活跃的研究方向。

在高温金属间化合物中，TiAl基合金由于晶体中含有金属键与共价键，使其有可能同时兼有金属和陶瓷的力学性能，以及由此产生低的密度、高的刚度、比强度、比模量、高温强度及良好的抗氧化性和抗蠕变性等优点。因此，TiAl基合金被认为是一种能代替铁合金和镍基合金的在航天航空及汽车等其他工业领域中极具应用潜力的高温结构材料。

在TiAl基合金中，δ-TiA1₃基合金由于固溶范围太窄，因此在室温时的塑性差，难以机械加工。α₂-Ti₃A1基合金存在着结构不稳定以及在恶劣环境和循环载荷下开裂的问题。因此，目前研究焦点主要集中在γ-TiAl基合金的研究和开发上。这类合金一般含有15％的α₂-Ti₃A1，为双相结构。因此，与α₂-Ti₃A1相比，该合金具有更低的密度、更高的强度和良好的抗氧化性。但由于该合金的室温脆、塑性较差、高温下抗氧化性不足等缺点，从而限制了其在实际中的广泛应用。

目前，主要采用定向凝固的技术来改善钛铝合金显微组织，获取片层组织，使外加载荷平行于片层界面。研究表明(TiAl金属间化合物的定向凝固和晶向控制，中国有色金属学报，797-809，13，2003)：外加载荷平行于片层界面可以获取最佳的强度与塑性的综合，所以对于某些转动部件，如发动机叶片，使受力方向平行于γ-TiAl合金片层取向，是发挥材料性能优势的最佳选择。因此，定向凝固技术已成为国内外对新一代金属间化合物的研究重点，是加快扩展γ-TiAl在工业化的应用的技术手段。

当今，人们采用光学浮区法对TiAl合金进行定向凝固。该方法由于在凝固过程中的固液界面前沿具有平直的温度场，所以是一种生长片层结构的新方法。与传统的Bridgeman法进行定向凝固相比，该方法的主要特点是：(1)由于熔炼温度高，所以可以生长高熔点的材料；(2)温度梯度较高；(3)由于采用光学控制，所以凝固速率等系数控制精度较高；(4)由于生长不需要坩埚，所以有效解决了高温钛熔体与坩埚的反应问题，使得材料处于无污染的环境之中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种添加碳硅钨钇的片层组织高铌钛铝合金及其制备方法，该合金能够进一步细化晶粒、提高强度、硬度，且具有良好的抗氧化性和抗蠕变性，能够弥补室温脆、塑性较差的缺点。

实现本发明的技术解决方案为：一种添加碳硅钨钇的片层组织高铌钛铝合金，其名义成分为：Al、Nb、C、Si、W、Y，其余为Ti元素。

一种添加碳硅钨钇的片层组织高铌钛铝合金制备方法，利用光学浮区法来进行定向凝固，不仅可以获得取向片层组织，极大地提高合金的断裂韧性、蠕变强度、室温塑性等性能，而且具有无需坩埚、无污染、生长速度快等优点。包括以下步骤：

步骤1、以纯钛、纯铝、纯铌、纯碳、纯硅、纯钨、纯钇(所有纯度均为99.99%)为原料。

步骤2、将步骤1中配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空，充入高纯氩气，然后调节电弧熔炼炉的电流和电压，获得纽扣锭。

步骤3、将步骤2中制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空，充入高纯氩气，然后调节悬浮熔炼炉的功率，用石英管吸铸成圆柱形试棒。

步骤4、将步骤3中制备的圆柱形试棒放入光学浮区法炉中，充入高纯氩气，然后调节加热功率、上下试样的旋转速度、抽拉速率等实验参数。在上述条件下对圆柱形试棒进行定向凝固，获得片层组织高铌钛铝合金试样。

步骤5、从光学浮区法炉中取出试样并空冷至室温，再进行表面打磨处理。

本发明的显著优点有：1.与普通钛铝合金相比，该合金能够进一步细化晶粒、提高强度、硬度，且具有良好的抗氧化性和抗蠕变性，能够弥补室温脆、塑性较差的缺点。该合金具有Ni基、Fe基和Co基高温材料所无法比拟的优良性能。2.与传统的Bridgeman法进行定向凝固相比，利用光学浮区法来进行定向凝固，该方法具有熔炼温度高、温度梯度高、参数控制精确、材料无污染等特点，且在凝固过程中的固液界面前沿具有平直的温度场，不仅可以获得取向片层组织，极大地提高合金的断裂韧性、蠕变强度、室温塑性等性能，而且具有无需坩埚、无污染、生长速度快等优点，是一种制备片层组织高铌钛铝合金的新方法。

具体实施方式

本发明的一种碳硅钨钇片层组织高铌钛铝合金，其合金的名义成分为：Al：45.0%～48.0%、Nb：5.0%～8.0%、C：0.5%～1%、Si：0.1%～0.5%、W：1.0%～2.0%、Y：0.1%～0.5%，其余为Ti元素。上述的名义成分是以原子百分比表示。

本发明的一种碳硅钨钇片层组织高铌钛铝合金制备方法，按以下步骤进行：

步骤1、以纯钛、纯铝、纯铌、纯碳、纯硅、纯钨、纯钇(所有纯度均为99.99%)为原料，按照如下名义成分来进行配料：Al：45.0%～48.0%、Nb：5.0%～8.0%、C：0.5%～1%、Si：0.1%～0.5%、W：1.0%～2.0%、Y：0.1%～0.5%，其余为Ti元素。上述的名义成分是以原子百分比表示。

步骤2、将步骤1中配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空，充入高纯氩气，然后调节电弧熔炼炉的电流和电压，获得纽扣锭；其中所述的真空度为0.01～0.03Pa，所述的充入高纯氩气后真空度为600～650Pa，所述的电弧电源电流为200A，所述的电弧电源电压为2V；在上述条件下，反复熔炼3～5次，获得成分均匀的纽扣锭，其重为20～30g。

步骤3、将步骤2中制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空，充入高纯氩气，然后调节悬浮熔炼炉的功率，用石英管吸铸成圆柱形试棒；其中所述的真空度为5～10Pa，所述的充入高纯氩气后，吸铸阀门下方压力为一个大气压，上方压力为0.03～0.05MPa；所述的悬浮熔炼炉的功率为20KW；石英管直径为Ф4mm；所得的圆柱形试棒尺寸为Ф4×L(70～120)mm。

步骤4、将步骤3中制备的圆柱形试棒放入光学浮区法炉中，充入高纯氩气，然后调节加热功率、上下试样的旋转速度、抽拉速率等实验参数，在上述条件下对圆柱形试棒进行定向凝固，获得片层组织高铌钛铝合金试样；其中所述的通入高纯氩气，流量为4～6L/min；所述的加热功率为1～3KW；所述的上下试样的旋转速度为25～35r/min；所述的抽拉速率为2～20mm/h。

步骤5、从光学浮区法炉中取出试样并空冷至室温，再进行表面打磨处理。

实施例1：

(1)以纯钛、纯铝、纯铌、纯碳、纯硅、纯钨、纯钇(所有纯度均为99.99%)为原料，按照Ti₄₅Al₄₅Nb₅C_0.5Si_0.1W₁Y_0.1的成分配比称取材料。

(2)将上述配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空至0.01Pa，充入高纯氩气至600Pa，然后在电弧熔炼炉电流为200A，电压为2V的条件下进行熔炼，制备出成分为Ti₄₅Al₄₅Nb₈C_0.5Si_0.1W₁Y_0.1的纽扣锭，重量20g。

(3)将上述制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空至5Pa，充入高纯氩气至0.03MPa，然后在悬浮熔炼炉功率为20KW的条件下，用直径为Ф4mm的石英管吸铸，制备出成分为Ti₄₅Al₄₅Nb₈C_0.6Si_0.2W₁Y_0.2的圆柱形试棒，试棒尺寸为Ф4×70mm。

(4)将上述制备的圆柱形试棒放入光学浮区法炉中，充入流量为4L/min的高纯氩气，然后在加热功率为1KW、上下试样的旋转速度为25r/min、抽拉速率为2mm/h的条件下，对圆柱形试棒进行定向凝固，制备出具有片层组织的Ti₄₅Al₄₅Nb₈C_0.5Si_0.1W₁Y_0.1的合金试样，并冷却后进行表面打磨处理。

采用实施例1制备出具有片层组织的Ti₄₅Al₄₅Nb₈C_0.5Si_0.1W₁Y_0.1的合金试样，该合金成分的主要性能如表1所示。

实施例2：

(1)以纯钛、纯铝、纯铌、纯碳、纯硅、纯钨、纯钇(所有纯度均为99.99%)为原料，按照Ti₄₄Al₄₆Nb₇C_0.8Si_0.3W_1.6Y_0.3的成分配比称取材料。

(2)将上述配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空至0.02Pa，充入高纯氩气至630Pa，然后在电弧熔炼炉电流为200A，电压为2V的条件下进行熔炼，制备出成分为Ti₄₄Al₄₆Nb₇C_0.8Si_0.3W_1.6Y_0.3的纽扣锭，重量25g。

(3)将上述制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空至7Pa，充入高纯氩气至0.04MPa，然后在悬浮熔炼炉功率为20KW的条件下，用直径为Ф4mm的石英管吸铸，制备出成分为Ti₄₄Al₄₅Nb₈C_0.6Si_0.4W_1.6Y_0.4的圆柱形试棒，试棒尺寸为Ф4×100mm。

(4)将上述制备的圆柱形试棒放入光学浮区法炉中，充入流量为5L/min的高纯氩气，然后在加热功率为2KW、上下试样的旋转速度为30r/min、抽拉速率为10mm/h的条件下，对圆柱形试棒进行定向凝固，制备出具有片层组织的Ti₄₄Al₄₆Nb₇C_0.8Si_0.3W_1.6Y_0.3的合金试样，并冷却后进行表面打磨处理。

采用实施例2制备得到的具有片层组织的Ti₄₄Al₄₆Nb₇C_0.8Si_0.3W_1.6Y_0.3的合金试样，该合金的主要性能如表1所示。

实施例3：

(1)以纯钛、纯铝、纯铌、纯碳、纯硅、纯钨、纯钇(所有纯度均为99.99%)为原料，按照Ti₄₃Al₄₈Nb₈C₁Si_0.5W₂Y_0.5的成分配比称取材料。

(2)将上述配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空至0.03Pa，充入高纯氩气至650Pa，然后在电弧熔炼炉电流为200A，电压为2V的条件下进行熔炼，制备出成分为Ti₄₃Al₄₈Nb₈C₁Si_0.5W₂Y_0.5的纽扣锭，重量30g。

(3)将上述制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空至10Pa，充入高纯氩气至0.05MPa，然后在悬浮熔炼炉功率为20KW的条件下，用直径为Ф4mm的石英管吸铸，制备出成分为Ti₄₃Al₄₈Nb₈C₁Si_0.5W₂Y_0.5的圆柱形试棒，试棒尺寸为Ф4×120mm。

(4)将上述制备的圆柱形试棒放入光学浮区法炉中，充入流量为6L/min的高纯氩气，然后在加热功率为3KW、上下试样的旋转速度为35r/min、抽拉速率为20mm/h的条件下，对圆柱形试棒进行定向凝固，制备出具有片层组织的Ti₄₃Al₄₈Nb₈C₁Si_0.5W₂Y_0.5的合金试样，并冷却后进行表面打磨处理。

采用实施例3制备得到的具有片层组织的Ti₄₃Al₄₅Nb₈C₁Si_0.5W₂Y_0.5的合金试样，该合金的主要性能如表1所示。

表1合金的主要性能

Claims (7)

1.一种碳硅钨钇片层组织高铌钛铝合金，其特征在于：合金的名义成分为：铝、铌、碳、硅、钨、钇，钛。

2.根据权利要求1所述的钛铝合金，其特征在于：各成分的组分为：铝：45.0%～48.0%、铌：5.0%～8.0%、碳：0.5%～1%、硅：0.1%～0.5%、钨：1.0%～2.0%、钇：0.1%～0.5%，其余为钛元素，上述的名义成分是以原子百分比表示。

3.一种碳硅钨钇片层组织高铌钛铝合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、以钛、铝、铌、碳、硅、钨、钇为原料；

步骤2、将步骤1中的原料放入熔炼炉中，抽真空，充入氩气，进行熔炼，获得纽扣锭；

步骤3、将步骤2中制备的纽扣锭放入熔炼炉中，抽真空，充入氩气，用石英管吸铸成圆柱形试棒；

步骤4、将步骤3中制备的圆柱形试棒放入光学浮区炉中，充入氩气，对圆柱形试棒进行定向凝固，获得片层组织高铌钛铝合金试样；

步骤5、从光学浮区法炉中取出试样并空气冷却，再进行表面打磨处理。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤1中原料按照如下名义成分来进行配料：铝：45.0%～48.0%、铌：5.0%～8.0%、碳：0.5%～1%、硅：0.1%～0.5%、钨：1.0%～2.0%、钇：0.1%～0.5%，其余为Ti元素，上述的名义成分是以原子百分比表示；其中各原料的纯度均为99.99%。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤2中所述的熔炼炉为电弧熔炼炉；真空度为0.01～0.03Pa；所述的氩气为高纯氩气，充入高纯氩气后真空度为600～650Pa；所述的电弧电源电流为200A，电弧电源电压为2V；熔炼3～5次，获得的纽扣锭，其重为20～30g。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤3中所述的熔炼炉为悬浮熔炼炉；真空度为5～10Pa；所述的氩气为高纯氩气，其中充入高纯氩气后，吸铸阀门下方压力为一个大气压，上方压力为0.03～0.05MPa；所述的悬浮熔炼炉的功率为20KW；所述石英管直径为Ф4mm；所得圆柱形试棒尺寸为Ф4×L70～120mm。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤4中所述的氩气为高纯氩气，通入高纯氩气的流量为4～6L/min；所述的加热功率为1～3KW；所述的上下试样的旋转速度为25～35r/min；所述的抽拉速率为2～20mm/h。