CN103572082B - 一种高Nb-TiAl合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高Nb-TiAl合金及其制备方法,属于有色金属熔炼领域,此合金的制备方法为两次真空磁悬浮熔炼,并且两次熔炼中采取不同的工艺制度充入高纯Ar气。所述第一次,先将物料置于坩埚中抽真空,再进行在15-40kw在较低功率的预热熔炼后充入高纯Ar气,然后将功率调至35-45kw使Al块料完全熔化后,调至85-110kw熔炼后,停止加热使合金随水冷铜坩埚冷却;第二次,抽真空,先低功率烘料后,将功率至85-110kw,待物料熔化后,充入高纯Ar气,将功率提高到110-125kw熔炼后降低至85-110kw浇注。通过上述熔炼工艺的合理设计,可以将高Nb-TiAl合金中的含氧量降低到300ppm,相比现有熔炼工艺,含氧量降低40%-70%。成分控制准确的同时并且组织的均匀性得到显著提高,合金中不存在裂纹以及非金属夹杂缺陷,使其加工性能得到提高。
Description
技术领域
本发明属于有色金属熔炼领域,尤其涉及一种高Nb-TiAl合金及其真空磁悬浮熔炼工艺。
背景技术
TiAl基金属间化合物合金具有轻质,高温强度高,高温抗氧化性好的特点,对于飞机发动机减重,提高发动机的推重比,降低能耗具有重要意义,高Nb含量的加入使TiAl合金的液相线温度提高了约100℃,高温强度提高了300~500MPa,并且研究表明Nb的添加显著的提高了高温抗氧化性,因此在航空发动机700~900℃的工作温度内具有很大的应用潜力。
高Nb-TiAl合金的力学性能主要由组织所决定,合金中的偏析,夹杂,间隙杂质元素均会引起组织以及力学性能的不均匀,并会进一步影响挤压,锻造和轧制过程。高Nb-TiAl合金的组织受Al含量的影响较大,Al含量的不同会引起合金不同的凝固方式,产生不同固态转变产物,并且Al元素相比于Ti和Nb具有优先挥发性,因此在高Nb-TiAl合金制备过程中Al含量的控制需引起足够的重视。具有高熔点的Ti在熔融下具有很强的吸气性,因此高Nb-TiAl合金的含氧量相比钢铁材料高一个数量级。根据采取的制备工艺不同,其氧含量通常在500~1000wtppm,氧在TiAl合金中以间隙固溶和氧化物的形式存在,较高的氧含量不仅会恶化材料的力学性能,而且对TiAl合金凝固后的固态转变也有较大影响,因此航空航天用材对TiAl合金的氧含量也有着严格的要求。
基于以上特点,高Nb-TiAl合金的制备广泛采用真空冶炼以及水冷铜坩埚技术,常见的制备方式有真空自耗电弧熔炼法(VAR),等离子束冷床熔炼法(PAM),真空感应熔炼法(ISM)。高Nb-TiAl合金的质量与制备方法有关,同时还与制备工艺有关,但上述方法均存在合金的含氧量高、Al含量和成分的均匀性难以保证的问题,从而导致锻造及轧制性能不理想。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,现有技术中,高Nb-TiAl合金的成分不均匀、Al的挥发损失和含氧量高,从而影响其加工性能及高温的力学性能。
为解决上述技术问题,本发明采用如下的技术方案。
一种高Nb-TiAl合金的制备方法,此制备方法为两次真空磁悬浮熔炼,并且在两次熔炼中采取不同的工艺制度。
上述制备方法的优选方案为,所述熔炼分为两次,第一次,先将物料置于坩埚中抽真空,在低功率的预热后充入高纯Ar气,然后将功率调至35-45kw使Al块完全熔化后,将功率调至85-110kw,熔炼15-25分钟后,停止加热使合金随水冷铜坩埚冷却;第二次,抽真空,先低功率35-45kw烘料后,将功率提升至85-110kw,待物料熔化形成驼峰后,充入高纯Ar气,后将功率提高到110-125kw熔炼8-15分钟,后将功率降低至85-110kw浇注。
上述制备方法的优选方案为,所述第一次熔炼的工艺为,在水冷铜坩埚内放置海绵钛、高纯Al块,将AlNb74(wt.%)中间合金放于布料斗中,当真空度达到5.5×10-3pa后,进行功率为15-25kw、3-5分钟的预热后充入高纯Ar气使熔炼室达450Pa以上,再将功率加至35-45kw,使Al块完全熔化物料气体完全释放后,将功率加到85-110kw熔炼15-25分钟,熔体驼峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中间合金,最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却;第二次熔炼的工艺为,抽真空至5.5×10-3pa后,进行功率为35-45kw、5-15分钟的预热后,将功率升至85-110kw熔炼,待坩埚中物料熔化形成驼峰后,封闭炉体并充入高纯Ar气,使熔炼室达360-400Pa,将熔炼功率加到115-125Kw熔炼8-15分钟,后将功率降至85-110kw浇注,得到本发明的高Nb-TiAl合金。
上述制备方法的优选方案为,所述第一次熔炼的工艺为,在水冷铜坩埚内依次放置海绵钛、高纯Al块,将AlNb74(wt.%)中间合金放于布料斗中,当真空度达到5.5×10-3pa后,进行功率为20kw、4分钟的预热后充入高纯Ar气使熔炼室达500Pa,再将功率加至40kw,使Al块完全熔化物料气体完全释放后,迅速将功率加到100kw熔炼20分钟,熔体驼峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中间合金,后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却;第二次熔炼的工艺为,抽真空至5.5×10-3pa后,进行功率为40kw、10分钟的烘料后,迅速将功率升至100kw熔炼,待坩埚中物料熔化形成驼峰后,封闭炉体并充入高纯Ar气,使熔炼室达400Pa,将熔炼功率加到120kw熔炼10分钟后,将功率降至100kw浇注,得到本发明的高Nb-TiAl合金。
上述制备方法的优选方案为,所述物料在熔炼前进行预处理,其处理工艺为,将物料用纯度大于99.7%的无水乙醇清洗,并将其平铺在室温下风干2小时以上。
上述制备方法的优选方案为,所述物料分别为纯度高于99.99%的高纯Al块、工业用零级海绵钛、AlNb74(wt.%)中间合金为颗粒状。
上述制备方法的优选方案为,所述物料包括微量合金原料Cr、V、W、Mo、Mn、Si、B、Y,在熔炼前,将上述微量合金与AlNb74(wt.%)中间合金一起加入布料斗。
上述制备方法的优选方案为,所述物料的放置次序为,在水冷铜坩埚内由底向上依次放的物料为海绵钛、高纯Al块。
上述制备方法的优选方案为,所述第二次熔炼前,将第一次熔炼后的铸锭上下面翻转后放入水冷坩埚内,再进行第二次熔炼。
本发明还涉及上述制备方法制得的高Nb-TiAl合金,所述合金的主要成分为Ti(45-48)at.%Al(7-10)at.%Nb,合金中的含氧量低于300ppm。
在第一次熔炼中,首先在15-25kw的熔炼功率下进行预热,以去除原料表面以物理吸附存在的气体和水蒸气;然后反充高纯Ar至500Pa,一是防止稍后高功率下海绵钛熔化中因溶解气体迅速释放而造成“热爆”损失,二是降低Al块熔化过程中的挥发速率。将功率提升至35-45kw,先使Al块完全熔化,然后在85-115kw的高功率下利用其强烈的磁搅拌作用熔炼15-25分钟,增强熔体成分的均匀性,但是由于坩埚水冷的作用,一次熔炼铸锭底部仍然存在少量未熔的海绵钛,因此在二次熔炼中将一次熔炼铸锭翻转放入坩埚,并在35-45kw的熔炼功率下对一次熔炼铸锭进行预热,然后迅速提升功率至85-110达到合金熔化的温度,此时与一次熔炼不同的是,熔炼室仍然处于较高的真空度下(约10-2Pa),因此在合金的熔化中,由于熔炼室较低的氧分压,促进了熔体脱氧的进行。但是较高的真空度会加剧Al元素的挥发,因此在熔体驼峰形成后立刻将熔炼室封闭并反充高纯Ar至400Pa以上控制Al元素的挥发,由于真空磁悬浮熔炼法物料在较短的时间内即可熔化,因此这样的工艺选择即可以促进熔体脱氧又可以抑制Al元素的挥发损失。此后将功率提升至110-125kw增加熔体的过热度,并利用其磁搅拌作用熔炼8-15分钟保证成分的均匀性。
本发明相对于现有技术的有益效果是,通过上述熔炼工艺的合理设计,可以将高Nb-TiAl合金中的含氧量降低到300ppm,相比现有熔炼工艺,含氧量降低40%-70%。成分控制准确的同时组织的均匀性得到显著提高,低倍组织观察表明合金中不存在裂纹以及非金属夹杂缺陷,使其加工性能得到提高,室温力学性能测试结果表明,在相同成分下,相比于现有制备方法,使用本发明的制备方法使室温塑性由0.2%提高到0.42%,断裂强度由590MPa提高到640MPa。
附图说明
图1是实施例1-3制备的高Nb-TiAl合金铸锭横截面低倍照片;
图2是实施例2制备的高Nb-TiAl合金显微组织SEM组织;
图3是实施例3制备的高Nb-TiAl合金不同位置的成分分布曲线;
图4是实施例1-3制备的高Nb-TiAl合金含氧量与现有技术的对比图;
图5是实施例1制备的高Nb-TiAl合金抗拉强度-温度关系曲线;
图6是实施例1制备的高Nb-TiAl合金延伸率-温度关系曲线。
具体实施方式
实施例1
实验所用名义成分Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y(at.%),原料分别为工业零级海绵钛、高纯Al块(99.99%)、AlNb74(wt.%)中间合金、高纯度W粉、B粉、Y屑。原料分别使用无水乙醇浸泡清洗,后室温下自然烘干2小时。第一次熔炼工艺首先将坩埚内由底向上依次布置海绵钛和高纯Al块,AlNb74中间合金和其他微合金元素放入布料斗,然后抽真空至5.5×10-3Pa。在15kw的功率下预热3分钟,后充入高纯Ar气使熔炼室达450Pa,再将功率加至35kw,使Al块完全熔化物料气体完全释放后,将功率加到85kw熔炼15分钟,熔体驼峰形成后加入布料斗中的原料,最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却;第二次熔炼的工艺为,抽真空至5.5×10-3pa后,进行功率为35kw、5分钟的预热后,将功率升至85kw,待坩埚中物料熔化形成驼峰后,封闭炉体并充入高纯Ar气,使熔炼室真空度达360Pa,将熔炼功率加到115kw熔炼8分钟,后将功率降至85kw浇注,得到本发明的高Nb-TiAl合金。
实施例2
实验所用名义成分Ti-46Al-7Nb-2.5V-1.0Cr(at.%),原料分别为工业零级海绵钛、高纯Al块(99.99%)、AlNb74(wt.%)中间合金、电解V(99.92%)、AlCr20(wt.%)中间合金。原料分别使用无水乙醇浸泡清洗,后室温下自然烘干2小时。第一次熔炼工艺首先将坩埚内由底向上依次布置海绵钛和高纯Al块,布料斗内放入AlNb74中间合金、电解V、AlCr20中间合金,然后抽真空至5.5×10-3Pa。在20kw的功率下预热4分钟,后充入高纯Ar气使熔炼室达500Pa,再将功率加至40kw,使Al块完全熔化物料气体完全释放后,将功率加到100kw熔炼20分钟,熔体驼峰形成后加入布料斗中的原料,最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却;第二次熔炼的工艺为,抽真空至5.5×10-3pa后,进行功率为40kw、10分钟的预热后,将功率升至100kw,待坩埚中物料熔化形成驼峰后,封闭炉体并充入高纯Ar气,使熔炼室真空度达380Pa,将熔炼功率加到120kw熔炼10分钟,后将功率降至100kw浇注,得到本发明的高Nb-TiAl合金。
实施例3
实验所用名义成分Ti-48Al-10Nb,原料分别为工业零级海绵钛、高纯Al块(99.99%)、AlNb74(wt.%)中间合金。原料分别使用无水乙醇浸泡清洗,后室温下自然烘干2小时。第一次熔炼工艺首先将坩埚内由底向上依次布置海绵钛和高纯Al块,布料斗内放入AlNb74中间合金,然后抽真空至5.5×10-3Pa。在25kw的功率下预热5分钟,后充入高纯Ar气使熔炼室达500Pa,再将功率加至45kw,使Al块完全熔化物料气体完全释放后,将功率加到110kw熔炼25分钟,熔体驼峰形成后加入布料斗中的原料,最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却;所述第二次熔炼前,将第一次熔炼后的铸锭上下面翻转后放入水冷坩埚内,再进行第二次熔炼。第二次熔炼的工艺为,抽真空至5.5×10-3pa后,进行功率为45kw、15分钟的预热后,将功率升至110kw,待坩埚中物料熔化形成驼峰后,封闭炉体并充入高纯Ar气,使熔炼室真空度达400Pa,将熔炼功率加到125kw熔炼15分钟,后将功率降至110kw浇注,得到本发明的高Nb-TiAl合金。
Claims (9)
1.一种高Nb-TiAl合金的制备方法,其特征在于,此制备方法为两次真空磁悬浮熔炼,第一次,先将物料置于坩埚中抽真空,在低功率的预热后充入高纯Ar气,然后将功率调至35-45kw使Al块完全熔化后,将功率调至85-110kw,熔炼15-25分钟后,停止加热使合金随水冷铜坩埚冷却;第二次,抽真空,先低功率35-45kw烘料后,将功率提升至85-110kw,待物料熔化形成驼峰后,充入高纯Ar气,后将功率提高到110-125kw熔炼8-15分钟,后将功率降低至85-110kw浇注。
2.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法,其特征在于,所述第一次熔炼的工艺为,在水冷铜坩埚内放置海绵钛、高纯Al块,将AlNb74(wt.%)中间合金放于布料斗中,当真空度达到5.5×10-3Pa后,进行功率为15-25kw、3-5分钟的预热后充入高纯Ar气使熔炼室达450Pa以上,再将功率加至35-45kw,使Al块完全熔化物料气体完全释放后,将功率加到85-110kw熔炼15-25分钟,熔体驼峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中间合金,最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却;第二次熔炼的工艺为,抽真空至5.5×10-3Pa后,进行功率为35-45kw、5-15分钟的预热后,将功率升至85-110kw熔炼,待坩埚中物料熔化形成驼峰后,封闭炉体并充入高纯Ar气,使熔炼室达360-400Pa,将熔炼功率加到115-125kw熔炼8-15分钟,后将功率降至85-110kw浇注,得到本发明的高Nb-TiAl合金。
3.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法,其特征在于,所述第一次熔炼的工艺为,在水冷铜坩埚内依次放置海绵钛、高纯Al块,将AlNb74(wt.%)中间合金放于布料斗中,当真空度达到5.5×10-3Pa后,进行功率为20kw、4分钟的预热后充入高纯Ar气使熔炼室达500Pa,再将功率加至40kw,使Al块完全熔化物料气体完全释放后,迅速将功率加到100kw熔炼20分钟,熔体驼峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中间合金,后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却;第二次熔炼的工艺为,抽真空至5.5×10-3Pa后,进行功率为40kw、10分钟的烘料后,迅速将功率升至100kw熔炼,待坩埚中物料熔化形成驼峰后,封闭炉体并充入高纯Ar气,使熔炼室达400Pa,将熔炼功率加到120kw熔炼10分钟后,将功率降至100kw浇注,得到本发明的高Nb-TiAl合金。
4.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法,其特征在于,所述物料在熔炼前进行预处理,其处理工艺为,将物料用纯度大于99.7%的无水乙醇清洗,并将其平铺在室温下风干2小时以上。
5.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法,其特征在于,所述物料分别为纯度高于99.99%的高纯Al块、工业用零级海绵钛、AlNb74(wt.%)中间合金为颗粒状。
6.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法,其特征在于,所述物料包括微量合金原料Cr、V、W、Mo、Mn、Si、B、Y,在熔炼前,将上述微量合金与AlNb74(wt.%)中间合金一起加入布料斗。
7.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法,其特征在于,所述物料的放置次序为,在水冷铜坩埚内由底向上依次放的物料为海绵钛、高纯Al块。
8.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法,其特征在于,所述第二次熔炼前,将第一次熔炼后的铸锭上下面翻转后放入水冷坩埚内,再进行第二次熔炼。
9.如权1所述制备方法制得的高Nb-TiAl合金,其特征在于,所述合金的主要成分为Ti(45-48)at.%Al(7-10)at.%Nb,合金中的含氧量低于300ppm。
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