CN103290260A - 一种含钽的钛铝基合金铸锭及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含钽的钛铝基合金铸锭，由以下原子百分比的成分组成：Al45%～48%，Ta2%～3%，Cr1%～2%，W0.1%～0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质。另外，本发明还提供了一种制备该铸锭的方法，包括以下步骤：一、将钽粉与钛粉制成混合粉料；二、将混合粉料、Al-W中间合金颗粒与金属铬颗粒混合均匀后用铝箔包成合金包；三、将海绵钛颗粒与铝豆混合均匀得到混合粒料；四、将混合粒料与合金包按一定顺序放入压制模具中，用油压机压制成合金块；五、焊接成熔炼电极；六、熔炼得到含钽的钛铝基合金铸锭。本发明含钽的钛铝基合金铸锭组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在，且具有优异的抗氧化性能。

Description

一种含钽的钛铝基合金铸锭及其制备方法

技术领域

本发明属于钛铝基合金材料技术领域，具体涉及一种含钽的钛铝基合金铸锭及其制备方法。

背景技术

γ-TiAl基合金是一种新型的金属化合物结构材料，具有高比强度、比模量，抗蠕变性及优良的高温强度、刚度及低密度等特点，成为一类在航空航天及汽车领域很有发展前景的高温结构材料。随着原来阻碍其投入实际应用的低的室温延性和难热加工成型性两大障碍逐渐得到解决，而在800℃以上长期使用时γ-TiAl基合金抗氧化性能不足的问题显得更为严重，这是由于γ-TiAl基铸锭试样表面不能形成致密的Al₂O₃，并且氧化层和基体之间形成的Ti₃Al相由于浓度梯度形成的化学势作用，其内的Ti原子会越过Al₂O₃层扩散，在最外层形成了疏松的TiO₂。

国内外的科研工作者在提高γ-TiAl基合金的长期高温抗氧化性方面做了大量的研究。研究表明，添加合金元素是简单而又有效的方法。在γ-TiAl基合金中添加Nb，Hf，Zr，Cr或W均能够增加其抗氧化性。特别是在γ-TiAl基合金中添加Nb，能够使其高温抗氧化性较大幅度地增加，而Nb能提高合金的氧化抗力主要由是增加了Al的活性，由此形成了连续的Al₂O₃保护层。Nb⁺⁵替代TiO₂中的Ti⁺⁴，会降低阴离子空位浓度，改善TiO₂的保护能力。

本发明经大量研究发现，Ta能够使γ-TiAl基合金的高温抗氧化性能得到显著提高，这是由于元素周期表中的Ta与Nb位置接近，又因为Ta本身的扩散系数比Nb低，能有效地控制氧化速率，从而达到良好的抗氧化效果。然而Ta本身属于高熔点元素，而钛铝基合金中Al的熔点较低，利用传统的配料和熔炼工艺将Ta加入钛铝基合金中，会因熔炼电流不易控而导致合金铸锭中形成不熔块，最终难以获得均质铸锭。因此鲜有研究人员在γ-TiAl基合金添加Ta，而含有Ta的钛铝基合金材料尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种含钽的钛铝基合金铸锭。该含钽的钛铝基合金铸锭组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在，并且具有优异的抗氧化性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al45%～48%，Ta2%～3%，Cr1%～2%，W0.1%～0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al47%，Ta2%，Cr1.6%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al46.5%，Ta3%，Cr2%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al46%，Ta2.5%，Cr1.2%，W0.15%，余量为Ti和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述含钽的钛铝基合金铸锭的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将钽粉和钛粉按质量比1∶1～2投入混料机中混料，得到混合粉料；

步骤二、将Al-W中间合金颗粒、金属铬颗粒和步骤一中所述混合粉料混合均匀后均分为3份，然后分别用铝箔进行包覆，制成第一合金包、第二合金包和第三合金包；

步骤三、将海绵钛颗粒和铝豆混合均匀得到混合粒料，然后将混合粒料均分为3份；3份所述混合粒料分别为第一混合粒料、第二混合粒料和第三混合粒料；

步骤四、将步骤三中所述第一混合粒料放入压制模具的成型腔中，然后将第一合金包和第二合金包置于第一混合粒料的上部，再将第二混合粒料放入所述成型腔中，将第三合金包置于第二混合粒料的上部，之后往所述成型腔中加入第三混合粒料组成坯料，最后将装有坯料的压制模具放入油压机中，在压强为10MPa～15MPa的条件下对坯料进行压制成型，得到合金块；

步骤五、将多个步骤四中所述合金块置于氩弧焊箱中进行氩弧焊接，得到熔炼电极；

步骤六、将步骤五中所述熔炼电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa的条件下进行三次真空自耗电弧熔炼，自然冷却后得到含钽的钛铝基合金铸锭。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述钽粉的粒度为-325目，所述钛粉的粒度为-200目；步骤二中所述金属铬颗粒和Al-W中间合金颗粒的粒度均不大于1mm，所述铝箔的厚度为0.01mm～0.1mm；步骤三中所述海绵钛颗粒的粒度不大于3mm，所述铝豆的粒度不大于10mm。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述混料机为V型混料机，所述混料的速率为15r/min～30r/min，所述混料的时间为6h～9h。

上述的方法，其特征在于，步骤四中所述压制模具的成型腔的形状为近圆柱形或正六棱柱形。

上述的方法，其特征在于，步骤四中所述第一合金包和第三合金包之间的距离与第二合金包和第三合金包之间的距离相等。

上述的方法，其特征在于，步骤六中三次真空自耗电弧熔炼过程中，第一次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流为1200A～1400A，熔炼电压为24V～26V，第二次和第三次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流均为3000A～3400A，熔炼电压均为30V～31V。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明在钛铝基合金中加入Ta，并且创造性地将Ta以钽粉的形式配入，摒弃了传统工艺所采用的Al-Nb-Ta中间合金的添加形式，使成品铸锭无Nb元素掺入，也摒弃了以成本高昂的纯Ta棒的添加形式，使原料来源广泛、易得；并且本发明在配料过程中，首先将Ta以钽粉的形式配入，将部分Ti以钛粉的形式配入，并通过大量实验优化出Ta粉和Ti粉的最佳配比为1∶1～2，使得后续的真空自耗电弧熔炼过程中钽粉与钛粉能够实现优良的粉末冶金结合效果，从而有效地保证钛铝基合金铸锭的均质性。

2、本发明充分考虑了Ta由于比重较大而易在熔炼凝固过程中偏聚到铸锭芯部的问题，采用了独特的原料混配方式，将钽粉、钛粉、金属铬颗粒和Al-W中间合金颗粒制成三个合金包，并将合金包以夹心方式包覆于混合粒料内，能够有效保证合金包中的各元素尤其是Ta元素在熔炼过程中得到更为均匀地分布；本发明所设计的独特添加方式能够使Ta在熔化与凝固过程中不易偏聚到铸锭芯部，显著提高了合金铸锭的均匀性。

3、采用本发明制备的含钽的钛铝基合金铸锭具有优异的抗氧化性能；本发明经大量研究发现，本发明所制铸锭中的Ta在800℃～900℃的高温氧化试验中形成四角形的AlTaO₄稳定结构，能够有效地阻碍钛铝基合金的氧化过程，并且由于Ta本身的扩散系数比传统抗氧化元素Nb低，能够有效地控制钛铝基合金铸锭的氧化速率，从而实现优异的抗氧化效果。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明装于压制模具中的坯料的剖面结构示意图。

图2为本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭的低倍组织图。

图3为本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭试样在温度分别为800℃、850℃和900℃的高温氧化试验中氧化增重与氧化时间的关系曲线。

图4为本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭试样在温度分别为800℃、850℃和900℃条件下经200h高温氧化后的XRD谱图。

图5为本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭试样在温度为800℃的条件下经200h高温氧化后的剖面结构SEM图。

图6为本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭试样在温度为850℃的条件下经200h高温氧化后的剖面结构SEM图。

图7为本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭试样在温度为900℃的条件下经200h高温氧化后的剖面结构SEM图。

附图标记说明:

1-1—第一合金包；    1-2—第二合金包；    1-3—第三合金包；

2-1—第一混合粒料；  2-2—第二混合粒料；  2-3—第三混合粒料；

3—压制模具。

具体实施方式

实施例1

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭由以下原子百分比的成分组成：Al46.5%，Ta3%，Cr2.0%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤一、根据所需制备含钽的钛铝基合金铸锭中各成分的原子百分比称取以下原料：钽粉、金属铬颗粒、Al-W中间合金颗粒、铝箔、铝豆、钛粉和海绵钛颗粒；本实施例中，所述钽粉的粒度为-325目，所述钛粉的粒度为-200目，所述海绵钛颗粒的粒度不大于3mm，所述铝豆的粒度不大于10mm，所述金属铬颗粒和Al-W中间合金颗粒的粒度均不大于1mm，所述铝箔的厚度为0.05mm；所述Al-W中间合金颗粒具体为Al-55W中间合金颗粒；

将钽粉与钛粉按质量比1∶1.5投入混料机中混料，得到混合粉料；本实施例中，所述混料机为V型混料机，所述混料的速率为25r/min，所述混料的时间为7.5h；

步骤二、将Al-W中间合金颗粒、金属铬颗粒和步骤一中所述混合粉料混合均匀后均分为3份，然后分别用铝箔进行包覆，制成第一合金包1-1、第二合金包1-2和第三合金包1-3；

步骤三、将海绵钛颗粒与铝豆混合均匀得到混合粒料，然后将混合粒料均分为3份；3份所述混合粒料分别为第一混合粒料2-1、第二混合粒料2-2和第三混合粒料2-3；

步骤四、将步骤三中所述第一混合粒料2-1放入压制模具3的成型腔中，然后将第一合金包1-1和第二合金包1-2置于第一混合粒料2-1的上部，再将第二混合粒料2-2放入所述成型腔中，将第三合金包1-3置于第二混合粒料2-2的上部，之后往所述成型腔中加入第三混合粒料2-3组成坯料，最后将装有坯料的压制模具3放入油压机中，在压强为13MPa的条件下对坯料进行压制成型，得到合金块；本实施例中，所述压制模具3的成型腔的形状为正六棱柱形，所述第一合金包1-1和第三合金包1-3之间的距离与第二合金包1-2和第三合金包1-3之间的距离相等；

步骤五、将多个步骤四中所述合金块置于氩弧焊箱中进行氩弧焊接，得到熔炼电极；

步骤六、将步骤五中所述熔炼电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa的条件下进行三次真空自耗电弧熔炼，自然冷却后得到含钽的钛铝基合金铸锭；本实施例中，第一次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流为1250A，熔炼电压为24V，第二次和第三次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流均为3400A，熔炼电压均为31V。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的低倍组织如图1所示，由图1可知该合金铸锭组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在。

实施例2

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭由以下原子百分比的成分组成：Al46.5%，Ta2.5%，Cr2.0%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的制备方法与实施例1相同。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在。

实施例3

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭由以下原子百分比的成分组成：Al46.5%，Ta2%，Cr2.0%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的制备方法与实施例1相同

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在。

实施例4

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭由以下原子百分比的成分组成：Al47%，Ta2%，Cr1.6%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的制备方法包括以下步骤：

步骤一、根据所需制备含钽的钛铝基合金铸锭中各成分的原子百分比称取以下原料：钽粉、金属铬颗粒、Al-6W中间合金颗粒、铝箔、铝豆、钛粉和海绵钛颗粒；本实施例中，所述钽粉的粒度为-325目，所述钛粉的粒度为-200目，所述海绵钛颗粒的粒度不大于3mm，所述铝豆的粒度不大于10mm，所述金属铬颗粒和Al-W中间合金颗粒的粒度均不大于1mm，所述铝箔的厚度为0.01mm；所述Al-W中间合金颗粒具体为Al-60W中间合金颗粒；

将钽粉与钛粉按质量比1：1投入混料机中混料，得到混合粉料；本实施例中，所述混料机为V型混料机，所述混料的速率为30r/min，所述混料的时间为6h；

步骤二、将Al-W中间合金颗粒、金属铬颗粒和步骤一中所述混合粉料混合均匀后均分为3份，然后分别用铝箔进行包覆，制成第一合金包1-1、第二合金包1-2和第三合金包1-3；

步骤三、将海绵钛颗粒与铝豆混合均匀得到混合粒料，然后将混合粒料均分为3份；3份所述混合粒料分别为第一混合粒料2-1、第二混合粒料2-2和第三混合粒料2-3；

步骤四、将步骤三中所述第一混合粒料2-1放入压制模具3的成型腔中，然后将第一合金包1-1和第二合金包1-2置于第一混合粒料2-1的上部，再将第二混合粒料2-2放入所述成型腔中，将第三合金包1-3置于第二混合粒料2-2的上部，之后往所述成型腔中加入第三混合粒料2-3组成坯料，最后将装有坯料的压制模具3放入油压机中，在压强为15MPa的条件下对坯料进行压制成型，得到合金块；本实施例中，所述压制模具3的成型腔的形状为圆柱形，所述第一合金包1-1和第三合金包1-3之间的距离与第二合金包1-2和第三合金包1-3之间的距离相等；

步骤五、将多个步骤四中所述合金块置于氩弧焊箱中进行氩弧焊接，得到熔炼电极；

步骤六、将步骤五中所述熔炼电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa的条件下进行三次真空自耗电弧熔炼，自然冷却后得到含钽的钛铝基合金铸锭；本实施例中，第一次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流为1300A，熔炼电压为25V，第二次和第三次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流均为3000A，熔炼电压均为31V。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在。

实施例5

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭由以下原子百分比的成分组成：Al46%，Ta2.5%，Cr1.2%，W0.15%，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的制备方法包括以下步骤：

步骤一、根据所需制备含钽的钛铝基合金铸锭中各成分的原子百分比称取以下原料：钽粉、金属铬颗粒、Al-W中间合金颗粒、铝箔、铝豆、钛粉和海绵钛颗粒；本实施例中，所述钽粉的粒度为-325目，所述钛粉的粒度为-200目，所述海绵钛颗粒的粒度不大于3mm，所述铝豆的粒度不大于10mm，所述金属铬颗粒和Al-W中间合金颗粒的粒度均不大于1mm，所述铝箔的厚度为0.06mm；所述Al-W中间合金颗粒具体为Al-50W中间合金颗粒；

将钽粉与钛粉按质量比1：1.2投入混料机中混料，得到混合粉料；本实施例中，所述混料机为V型混料机，所述混料的速率为20r/min，所述混料的时间为8h；

步骤二、将Al-W中间合金颗粒、金属铬颗粒和步骤一中所述混合粉料混合均匀后均分为3份，然后分别用铝箔进行包覆，制成第一合金包1-1、第二合金包1-2和第三合金包1-3；

步骤三、将海绵钛颗粒与铝豆混合均匀得到混合粒料，然后将混合粒料均分为3份；3份所述混合粒料分别为第一混合粒料2-1、第二混合粒料2-2和第三混合粒料2-3；

步骤四、将步骤三中所述第一混合粒料2-1放入压制模具3的成型腔中，然后将第一合金包1-1和第二合金包1-2置于第一混合粒料2-1的上部，再将第二混合粒料2-2放入所述成型腔中，将第三合金包1-3置于第二混合粒料2-2的上部，之后往所述成型腔中加入第三混合粒料2-3组成坯料，最后将装有坯料的压制模具3放入油压机中，在压强为13MPa的条件下对坯料进行压制成型，得到合金块；本实施例中，所述压制模具3的成型腔的形状为圆柱形，所述第一合金包1-1和第三合金包1-3之间的距离与第二合金包1-2和第三合金包1-3之间的距离相等；

步骤五、将多个步骤四中所述合金块置于氩弧焊箱中进行氩弧焊接，得到熔炼电极；

步骤六、将步骤五中所述熔炼电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa的条件下进行三次真空自耗电弧熔炼，自然冷却后得到含钽的钛铝基合金铸锭；本实施例中，第一次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流为1250A，熔炼电压为25V，第二次和第三次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流均为3200A，熔炼电压均为30V。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在。

实施例6

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭由以下原子百分比的成分组成：Al45%，Ta2.5%，Cr1%，W0.1%，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的制备方法包括以下步骤：

步骤一、根据所需制备含钽的钛铝基合金铸锭中各成分的原子百分比称取以下原料：钽粉、金属铬颗粒、Al-W中间合金颗粒、铝箔、铝豆、钛粉和海绵钛颗粒；本实施例中，所述钽粉的粒度为-325目，所述钛粉的粒度为-200目，所述海绵钛颗粒的粒度不大于3mm，所述铝豆的粒度不大于10mm，所述金属铬颗粒和Al-W中间合金颗粒的粒度均不大于1mm，所述铝箔的厚度为0.04mm；所述Al-W中间合金颗粒具体为Al-30W中间合金颗粒；

将钽粉与钛粉按质量比1：2投入混料机中混料，得到混合粉料；本实施例中，所述混料机为V型混料机，所述混料的速率为30r/min，所述混料的时间为6h；

步骤二、将Al-W中间合金颗粒、金属铬颗粒和步骤一中所述混合粉料混合均匀后均分为3份，然后分别用铝箔进行包覆，制成第一合金包1-1、第二合金包1-2和第三合金包1-3；

步骤三、将海绵钛颗粒与铝豆混合均匀得到混合粒料，然后将混合粒料均分为3份；3份所述混合粒料分别为第一混合粒料2-1、第二混合粒料2-2和第三混合粒料2-3；

步骤四、将步骤三中所述第一混合粒料2-1放入压制模具3的成型腔中，然后将第一合金包1-1和第二合金包1-2置于第一混合粒料2-1的上部，再将第二混合粒料2-2放入所述成型腔中，将第三合金包1-3置于第二混合粒料2-2的上部，之后往所述成型腔中加入第三混合粒料2-3组成坯料，最后将装有坯料的压制模具3放入油压机中，在压强为10MPa的条件下对坯料进行压制成型，得到合金块；本实施例中，所述压制模具3的成型腔的形状为正六棱柱形，所述第一合金包1-1和第三合金包1-3之间的距离与第二合金包1-2和第三合金包1-3之间的距离相等；

步骤五、将多个步骤四中所述合金块置于氩弧焊箱中进行氩弧焊接，得到熔炼电极；

步骤六、将步骤五中所述熔炼电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa的条件下进行三次真空自耗电弧熔炼，自然冷却后得到含钽的钛铝基合金铸锭；本实施例中，第一次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流为1200A，熔炼电压为26V，第二次和第三次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流均为3000A，熔炼电压均为30V。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在。

实施例7

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭由以下原子百分比的成分组成：Al48%，Ta2%，Cr2%，W0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的制备方法包括以下步骤：

步骤一、根据所需制备含钽的钛铝基合金铸锭中各成分的原子百分比称取以下原料：钽粉、金属铬颗粒、Al-W中间合金颗粒、铝箔、铝豆、钛粉和海绵钛颗粒；本实施例中，所述钽粉的粒度为-325目，所述钛粉的粒度为-200目，所述海绵钛颗粒的粒度不大于3mm，所述铝豆的粒度不大于10mm，所述金属铬颗粒和Al-W中间合金颗粒的粒度均不大于1mm，所述铝箔的厚度为0.1mm；所述Al-W中间合金颗粒具体为Al-40W中间合金颗粒；

将钽粉与钛粉按质量比1：1.6投入混料机中混料，得到混合粉料；本实施例中，所述混料机为V型混料机，所述混料的速率为15r/min，所述混料的时间为9h；

步骤二、将Al-W中间合金颗粒、金属铬颗粒和步骤一中所述混合粉料混合均匀后均分为3份，然后分别用铝箔进行包覆，制成第一合金包1-1、第二合金包1-2和第三合金包1-3；

步骤三、将海绵钛颗粒与铝豆混合均匀得到混合粒料，然后将混合粒料均分为3份；3份所述混合粒料分别为第一混合粒料2-1、第二混合粒料2-2和第三混合粒料2-3；

步骤四、将步骤三中所述第一混合粒料2-1放入压制模具3的成型腔中，然后将第一合金包1-1和第二合金包1-2置于第一混合粒料2-1的上部，再将第二混合粒料2-2放入所述成型腔中，将第三合金包1-3置于第二混合粒料2-2的上部，之后往所述成型腔中加入第三混合粒料2-3组成坯料，最后将装有坯料的压制模具3放入油压机中，在压强为12MPa的条件下对坯料进行压制成型，得到合金块；本实施例中，所述压制模具3的成型腔的形状为正六棱柱形，所述第一合金包1-1和第三合金包1-3之间的距离与第二合金包1-2和第三合金包1-3之间的距离相等；

步骤五、将多个步骤四中所述合金块置于氩弧焊箱中进行氩弧焊接，得到熔炼电极；

步骤六、将步骤五中所述熔炼电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa的条件下进行三次真空自耗电弧熔炼，自然冷却后得到含钽的钛铝基合金铸锭；本实施例中，第一次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流为1400A，熔炼电压为24V，第二次和第三次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流均为3400A，熔炼电压均为31V。

本实施例含钽的钛铝基合金铸锭的组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在。

对比例1

本对比例钛铝基合金铸锭为美国K5型高温抗氧化钛铝基合金铸锭，由以下原子百分比的成分组成：Al46.5%，Nb3%，Cr2.0%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

为验证本发明含钽的钛铝基合金铸锭的抗氧化性能，分别对本发明实施例1至7含钽的钛铝基合金铸锭，以及对比例1钛铝基合金铸锭进行抗氧化性能测试，具体测试方法为：一、首先将待测试合金铸锭在温度为900℃的恒温箱中保温9h进行均匀化处理；二、采用电火花线切割的方法从待测试合金铸锭上切取铸锭试样，然后依次进行砂磨机粗磨、300目水砂纸精磨、600目水砂纸精磨、1200目水砂纸精磨、超声波清洗和干燥处理，之后测量其表面积s，s的单位为m²；三、在电子天平（精度为0.0lmg）上进行精确称重，得到初始重量m₀，m₀的单位为g；四、将精确称重后的铸锭试样放入位于箱式高温炉中的瓷坩埚内，在温度为800℃～900℃的条件下进行200h的高温氧化试验，自然冷却后在电子天平上进行精确称重，得到氧化后重量m₁，m₁的单位为g；五、计算得到该铸锭试样的氧化增重量△m，△m=（m₁-m₀）/s，△m的单位为g/m²。

本发明实施例1至7含钽的钛铝基合金铸锭以及对比例1钛铝基合金铸锭在温度为815℃和875℃的条件下经200h高温氧化后的氧化增重数据见表1。

表1815℃和875℃条件下经200h高温氧化后各合金铸锭的氧化增重数据

由表1可知，本发明实施例1至7含钽的钛铝基合金铸锭在815℃和875℃条件下经200h高温氧化试验后的氧化增重量均很微小，且实施例1至7含钽的钛铝基合金铸锭的氧化增重量均低于对比例1美国K5高温抗氧化合金铸锭的增重量，由此说明本发明含钽的钛铝基合金铸锭具有优良的抗氧化性能。此外，由表1中实施例1、实施例2和实施例3的氧化增重量可知，在相同的其它元素配入和制备工艺条件下，Ta元素的含量越高，所制钛铝基合金铸锭的氧化增重量越小，由此说明Ta的加入对于提高本发明钛铝基合金铸锭的高温抗氧化性能起到积极的贡献作用。

将本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭分别在800℃、850℃和900℃的条件下高温氧化200h，然后依次进行氧化增重与氧化时间的关系曲线分析、XRD谱图分析和剖面组织观察。本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭在800℃、850℃和900℃条件下进行200h高温氧化的氧化增重与氧化时间的关系曲线如图3所示，XRD检测结果如图4所示，剖面组织SEM图如图5、图6和图7所示；其中图5为本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭在800℃条件下高温氧化200h后的剖面结构SEM图，图6为本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭在850℃条件下高温氧化200h后的剖面结构SEM图，图7为本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭在900℃条件下高温氧化200h后的剖面结构SEM图，且图5、图6和图7中I层均为镶样粉层，II层均为氧化层，III层均为材料基层。

由图3可知，本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭的氧化增重量随着氧化时间的延长而增加，但是后期氧化增重的涨幅趋于平缓。并且由图3可分析得出本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭的氧化反应指数n在0.976～3.9之间，氧化激活能约203.31KJ/mol；且在相同的氧化温度下，该合金铸锭的氧化速率常数更接近于Al₂O₃的氧化速率常数。由此说明本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭的抗氧化性能优良。

由图4、图5、图6和图7可知，本发明实施例1含钽的钛铝基合金铸锭在800℃高温条件下经200h的高温氧化后形成了氧化层且该氧化层较薄，然而该氧化层的厚度随着氧化温度的升高而逐渐增加，且氧化物优先在基体的原始β晶界上形核。经XRD检测可知，800℃、200h的高温氧化产物主要为TiO₂、Al₂O₃和AlTaO₄，而900℃、200h的高温氧化产物中AlTaO₄结构减少，大部分以TiO₂和Al₂O₃稳定结构存在，期间并未发现Ti₂AlN和TiAlTa等不稳定结构存在。基于此研究发现，本发明认为Ta因形成四角形的AlTaO₄稳定结构而能够有效地阻碍氧化反应的进行，又因为Ta本身的扩散系数比常规的抗氧化元素Nb低，因此能有效地控制氧化速率，从而使本发明含钽的钛铝基合金铸锭具有良好的抗氧化效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al45%～48%，Ta2%～3%，Cr1%～2%，W0.1%～0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al47%，Ta2%，Cr1.6%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al46.5%，Ta3%，Cr2%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al46%，Ta2.5%，Cr1.2%，W0.15%，余量为Ti和不可避免的杂质。

5.一种制备如权利要求1至4中任一项权利要求所述含钽的钛铝基合金铸锭的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将钽粉和钛粉按质量比1∶1～2投入混料机中混料，得到混合粉料；

步骤二、将Al-W中间合金颗粒、金属铬颗粒和步骤一中所述混合粉料混合均匀后均分为3份，然后分别用铝箔进行包覆，制成第一合金包（1-1）、第二合金包（1-2）和第三合金包（1-3）；

步骤三、将海绵钛颗粒和铝豆混合均匀得到混合粒料，然后将混合粒料均分为3份；3份所述混合粒料分别为第一混合粒料（2-1）、第二混合粒料（2-2）和第三混合粒料（2-3）；

步骤四、将步骤三中所述第一混合粒料（2-1）放入压制模具（3）的成型腔中，然后将第一合金包（1-1）和第二合金包（1-2）置于第一混合粒料（2-1）的上部，再将第二混合粒料（2-2）放入所述成型腔中，将第三合金包（1-3）置于第二混合粒料（2-2）的上部，之后往所述成型腔中加入第三混合粒料（2-3）组成坯料，最后将装有所述坯料的压制模具（3）放入油压机中，在压强为10MPa～15MPa的条件下对坯料进行压制成型，得到合金块；

步骤五、将多个步骤四中所述合金块置于氩弧焊箱中进行氩弧焊接，得到熔炼电极；

步骤六、将步骤五中所述熔炼电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa的条件下进行三次真空自耗电弧熔炼，自然冷却后得到含钽的钛铝基合金铸锭。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤一中所述钽粉的粒度为-325目，所述钛粉的粒度为-200目；步骤二中所述金属铬颗粒和Al-W中间合金颗粒的粒度均不大于1mm，所述铝箔的厚度为0.01mm～0.1mm；步骤三中所述海绵钛颗粒的粒度不大于3mm，所述铝豆的粒度不大于10mm。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤一中所述混料机为V型混料机，所述混料的速率为15r/min～30r/min，所述混料的时间为6h～9h。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤四中所述压制模具（3）的成型腔的形状为圆柱形或正六棱柱形。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤四中所述坯料中第一合金包（1-1）和第三合金包（1-3）之间的距离与第二合金包（1-2）和第三合金包（1-3）之间的距离相等。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤六中三次真空自耗电弧熔炼过程中，第一次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流为1200A～1400A，熔炼电压为24V～26V，第二次和第三次真空自耗电弧熔炼的熔炼电流均为3000A～3400A，熔炼电压均为30V～31V。

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