CN103789598A - 一种定向TiAl基合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定向TiAl基合金的制备方法。本发明TiAl基合金成分按原子百分比表示为Ti-(40-50)Al-aNb-bCr-cMo-dV-eMn，式中，a、b、c、d、e为原子百分比，a+b+c+d+e≤10，余量为Ti。制备上述柱状晶TiAl基合金，包括以下步骤：采用真空感应悬浮熔炼母合金，通过真空吸铸制备母合金铸棒；采用光学浮区晶体生长系统，保护气采用氩气，流动速度为3-3.6L/min，区域加热热区宽度为6-6.7mm之间，将TiAl基合金铸棒进行热处理，控制加热温度为1250-1350℃，抽拉速率为3-13μm/s范围内制备柱状晶TiAl基合金。本发明与定向凝固技术相比，由于过程不需要经历包晶反应，因此避免了包晶偏析；还可以解决无法应用定向凝固技术制备出具有定向组织的金属，比如钨、钼等难熔金属和合金。

Description

一种定向TiAl基合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种定向TiAl基合金及其制备方法，具体涉及一种在较低温度下节能，无污染，具有组织定向排列的柱状晶TiAl基合金的制备方法，可用作航空航天发动机涡轮叶片材料的制备，如镍基高温合金等。

背景技术

TiAl基金属间化合物具有低密度、高比强度、高弹性模量、优异的抗氧化及抗蠕变性能等优点，且在高温下仍能保持较高的比强度及比刚度，在航空、航天发动机和汽车耐高温结构材料等领域具有广阔的应用前景。美国GE公司近期宣布，用于波音787和747－8民航客机的GENX发动机低压涡轮后两级叶片将采用TiAl基金属间化合物，减轻发动机重量约200kg，这是该体系合金作为结构材料首次在航空工业领域批量应用，对航空发动机的减重意义重大，推动了全球TiAl基金属间化合物的研究热潮。

与大多数金属间化合物一样，室温脆性是阻碍TiAl基合金作为高温结构材料实际应用的最大障碍，无法通过塑性加工的方法制备成形出结构材料。因此净型成形技术将是解决TiAl基合金取得工业应用的首要技术途径。对于高温合金而言，获得具有晶界与拉伸应力方向平行排列的定向显微结构的多晶材料具有更优良的抗蠕变性能，高的抗疲劳抗力，有利于抑制裂纹扩展，提高合金的断裂韧性。此外，由于金属间化合物的晶体结构对称性低，晶界结合力差，晶界数量越多，反而危害越大。常规的热处理工艺可以归纳为淬火-回火/时效热处理和循环热处理两大类，但是常规的热处理只能获得细小的等轴晶，而不能获得具有取向材料或柱晶材料。

现有的定向凝固设备[专利：CN 103436960 A]制备TiAl基合金不仅需要将合金加热到熔点以上，能耗高，而且设备的加热宽度高，效率低，生长速度慢。因为需要坩埚，所以还会对合金熔体带来污染。现有的定向凝固技术制备TiAl基合金 [专利：CN 102400074 A]具体的弊端体现在一下几点，第一，定向凝固需要将材料加热到熔点以上，因此能耗高；第二，由于钛及钛合金熔体几乎与所有陶瓷坩埚材料发生剧烈的反应，故而会对合金造成污染；第三，定向凝固过程要经历包晶反应，因此会产生偏析，对材料性能影响很大；第四，定向凝固技术无法制备出比如钨、钼等难熔金属和合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节能，无污染，具有定向排列的柱状晶TiAl基合金的制备方法，用于要求高的抗蠕变性能、高的疲劳抗力的高温涡轮发动机叶片材料的制备上。

实现本发明目的的技术解决方案为： 

一种TiAl基合金，按原子百分比计，合金成分如下：Ti-(40-50)Al-aNb-bCr-cMo-dV-eMn，式中，a、b、c、d、e为原子百分比，a+b+c+d+e≤10，余量为Ti。

优选的方案，a、b、c、d、e中至少两个不为0。

更优选的方案，a、b、c、d、e中至少三个不为0。

一种制备上述定向TiAl基合金的方法，所述方法包括以下步骤：

第一步：按照合金成分配比将原料放入真空感应悬浮熔炼炉中熔炼母合金；

第二步：采用真空吸铸的方法，制备TiAl合金铸棒；

第三步：采用光学浮区晶体生长系统，对第二步制备出来的合金铸棒进行热处理。

其中，第一步中所述母合金熔炼时采用水冷铜坩埚，真空抽至10^-3Pa以下，再充入惰性气体氩气至常压，熔炼功率为24kW，熔炼时间为3分钟，反复熔炼次数为3次。

第二步中所述母合金铸棒的真空吸铸是采用Φ4的石英玻璃管吸铸成型，吸铸的压强差为0.03MPa，采用的功率为20kW。

第三步中所述TiAl基合金热处理工艺：在1250-1350℃，保温2-5min，保护气氩气流量为3-3.6L/min，牵引棒转动速度为20rpm，抽拉速率为3-13μm/s，升温和降温速率均为276.4-276.6K/s。

本发明设计原理如下：

本发明主要是通过定向热处理来控制热流方向，从而控制合金重结晶及再结晶过程晶粒的长大方向，以获得所需要的定向晶粒排列的显微结构或单晶技术。它是固态条件下的组织定向化技术，是制备具有定向显微结构并控制晶粒取向和晶界结构的有效手段。

在合金成分设计上，由于高熔点的难熔元素Nb的添加，不仅有效地提高了合金的高温力学性能，同时改善了高温抗氧化性能，而且还保留了普通TiAl基合金低密度的优点，现在己经成为国内外TiAl基合金发展的重要方向之一。

本发明光学浮区法制备定向TiAl基合金不仅无需坩埚、无污染、生长速度快，而且加热效率高，加热温度集中，可以实现短时间快速升温，与现有技术（定向凝固）相比，其显著优点是：（1）本发明不需要将材料加热到熔点以上，即能做出拉长的柱状晶组织，因此能耗低。（2）由于钛及钛合金熔体几乎与所有陶瓷坩埚材料发生剧烈的反应，故而会造成污染，而本发明采用定向热处理不需要加热到熔点以上，因此避免了污染。（3）本发明与定向凝固技术相比，由于过程不需要经历包晶反应，因此避免了包晶偏析。（4）本发明还可以解决无法应用定向凝固技术制备出具有定向组织的金属，比如钨、钼等难熔金属和合金。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明TiAl基合金铸棒原始铸态组织显微图。

图2是本发明定向TiAl基合金的纵向剖面宏观组织。

具体实施方式

实施例1

（1）合金成分设计

本发明定向TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：Ti-50Al-8Nb-2Cr，余量为Ti。

（2）母合金熔炼

按照成分（1）所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Nb、Cr原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10^-3Pa以下，在通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。由于采用了悬浮熔炼，所以有效的避免了高温的TiAl熔体与坩埚发生反应所带来的污染。熔炼功率按照如下增加步骤：9kw→13kw→20kw→24kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在24kw，熔炼时间为3min。重复以上步骤，反复熔炼3次，目的使合金熔炼均匀。

（3）合金铸棒制备

采用真空吸铸的方法，抽真空至10^-3Pa以下，再充高纯Ar保护气，控制悬浮熔炼炉的压强，与下方的水冷铜坩埚中产生0.03Mpa的压强差。加热功率调节至20Kw，功率增加步骤与（2）相同，吸铸成尺寸为φ4×100mm的母合金铸棒。铸态组织如图1所示。

（4）制备柱状晶TiAl基合金的热处理工艺

采用光学浮区晶体生长系统（市售，型号：FZ-T-4000-H-S-PC-NUST）制备柱状晶TiAl基合金，具体制备方法如下：调节保护气氩气的流量，控制在3.6L/min；调节转动速率为20rpm，目的是使合金铸棒受热均匀；在276.6K/s的升温速率下快速升温至1350℃，保温2min；采用13μm/s的抽拉速率向上牵引合金铸棒；抽拉1小时后在276.6K/s的降温速率下冷却至室温，关闭电源，取出铸棒。

实施例2

（1）合金成分设计

本发明定向TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：Ti-45Al-5Nb-2Mo-V-Mn，余量为Ti。

（2）母合金熔炼

按照成分（1）所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Nb、Mo、V、Mn原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10^-3Pa以下，在通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。熔炼功率按照如下增加步骤：9kw→13kw→20kw→24kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在24kw，熔炼时间为3min。重复以上步骤，反复熔炼3次。

（3）合金铸棒制备

采用真空吸铸的方法，抽真空至10^-3Pa以下，再充高纯Ar保护气，控制悬浮熔炼炉的压强，与下方的水冷铜坩埚中产生0.03Mpa的压强差。加热功率调节至20Kw，功率增加步骤与（2）相同，吸铸成尺寸为φ4×100mm的母合金铸棒。

（4）制备柱状晶TiAl基合金的热处理工艺

采用光学浮区晶体生长系统（市售，型号：FZ-T-4000-H-S-PC-NUST）制备柱状晶TiAl基合金，具体制备方法如下：调节保护气氩气的流量，控制在3.3L/min；调节转动速率为20rpm；在276.6K/s的升温速率下快速升温至1300℃，保温3min；采用10μm/s的抽拉速率向上牵引合金铸棒；抽拉1小时后在276.6K/s的降温速率下冷却至室温，关闭电源，取出铸棒。

实施例3

（1）合金成分设计

本发明定向TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：Ti-40Al-2Nb-2Mo-V，余量为Ti。

（2）母合金熔炼

按照成分（1）所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Mo、Nb、V原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10^-3Pa以下，在通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。熔炼功率按照如下增加步骤：9kw→13kw→20kw→24kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在24kw，熔炼时间为3min。重复以上步骤，反复熔炼3次。

（3）合金铸棒制备

采用真空吸铸的方法，抽真空至10^-3Pa以下，再充高纯Ar保护气，控制悬浮熔炼炉的压强，与下方的水冷铜坩埚中产生0.03Mpa的压强差。加热功率调节至20Kw，功率增加步骤与（2）相同，吸铸成尺寸为φ4×100mm的母合金铸棒。

（4）制备柱状晶TiAl基合金的热处理工艺

采用光学浮区晶体生长系统（市售，型号：FZ-T-4000-H-S-PC-NUST）制备柱状晶TiAl基合金，具体制备方法如下：调节保护气氩气的流量，控制在3.2L/min；调节转动速率为20rpm；在276.5K/s的升温速率下快速升温至1300℃，保温3min；采用8μm/s的抽拉速率向上牵引合金铸棒；抽拉1小时后在276.5K/s的降温速率下冷却至室温，关闭电源，取出铸棒。

实施例4

（1）合金成分设计

本发明定向TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：Ti-45Al-8Nb，余量为Ti。

（2）母合金熔炼

按照成分（1）所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Nb原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10^-3Pa以下，在通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。熔炼功率按照如下增加步骤：9kw→13kw→20kw→24kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在24kw，熔炼时间为3min。重复以上步骤，反复熔炼3次。

（3）合金铸棒制备

采用真空吸铸的方法，抽真空至10^-3Pa以下，再充高纯Ar保护气，控制悬浮熔炼炉的压强，与下方的水冷铜坩埚中产生0.03Mpa的压强差。加热功率调节至20Kw，功率增加步骤与（2）相同，吸铸成尺寸为φ4×100mm的母合金铸棒。

（4）制备柱状晶TiAl基合金的热处理工艺

采用光学浮区晶体生长系统（市售，型号：FZ-T-4000-H-S-PC-NUST）制备柱状晶TiAl基合金，具体制备方法如下：调节保护气氩气的流量，控制在3L/min；调节转动速率为20rpm；在276.4K/s的升温速率下快速升温至1250℃，保温5min；采用5μm/s的抽拉速率向上牵引合金铸棒；抽拉1.5小时后在276.4K/s的降温速率下冷却至室温，关闭电源，取出铸棒。

经过热处理的铸棒纵向剖面宏观图如图2所示。

实施例5

（1）合金成分设计

发明定向TiAl基合金按质量百分比计，合金成分设计如下：Ti-44Al，余量为Ti。

（2）母合金熔炼

按照成分（1）所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10^-3Pa以下，在通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。熔炼功率按照如下增加步骤：9kw→13kw→20kw→24kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在24kw，熔炼时间为3min。重复以上步骤，反复熔炼3次。

（3）合金铸棒制备

采用真空吸铸的方法，抽真空至10^-3Pa以下，再充高纯Ar保护气，控制悬浮熔炼炉的压强，与下方的水冷铜坩埚中产生0.03Mpa的压强差。加热功率调节至20Kw，功率增加步骤与（2）相同，吸铸成尺寸为φ4×100mm的母合金铸棒。

（4）制备柱状晶TiAl基合金的热处理工艺

采用光学浮区晶体生长系统（市售，型号：FZ-T-4000-H-S-PC-NUST）制备柱状晶TiAl基合金，具体制备方法如下：调节保护气氩气的流量，控制在3L/min；调节转动速率为20rpm；在276.4K/s的升温速率下快速升温至1250℃，保温5min；采用3μm/s的抽拉速率向上牵引合金铸棒；抽拉2.5小时后在276.4K/s的降温速率下冷却至室温，关闭电源，取出铸棒。

实施例6

（1）合金成分设计

本发明定向TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：Ti-40Al-2Nb-2Cr-2Mo-V-Mn，余量为Ti。

（2）母合金熔炼

按照成分（1）所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Mo、Nb、V、Cr、Mn原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10^-3Pa以下，在通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。熔炼功率按照如下增加步骤：9kw→13kw→20kw→24kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在24kw，熔炼时间为3min。重复以上步骤，反复熔炼3次。

（3）合金铸棒制备

采用真空吸铸的方法，抽真空至10^-3Pa以下，再充高纯Ar保护气，控制悬浮熔炼炉的压强，与下方的水冷铜坩埚中产生0.03Mpa的压强差。加热功率调节至20Kw，功率增加步骤与（2）相同，吸铸成尺寸为φ4×100mm的母合金铸棒。

（4）制备柱状晶TiAl基合金的热处理工艺

采用光学浮区晶体生长系统（市售，型号：FZ-T-4000-H-S-PC-NUST）制备柱状晶TiAl基合金，具体制备方法如下：调节保护气氩气的流量，控制在3.2L/min；调节转动速率为20rpm；在276.5K/s的升温速率下快速升温至1300℃，保温3min；采用8μm/s的抽拉速率向上牵引合金铸棒；抽拉1小时后在276.5K/s的降温速率下冷却至室温，关闭电源，取出铸棒。

实施例7

本发明定向TiAl基合金按质量百分比计，合金成分设计如下：Ti-46Al-2Cr-2Nb，余量为Ti。采用与实施例3相同的方法制备定向TiAl基合金。

实施例8

本发明定向TiAl基合金按质量百分比计，合金成分设计如下：Ti-45Al-4V-Mn，余量为Ti。采用与实施例3相同的方法制备定向TiAl基合金。

实施例9

本发明定向TiAl基合金按质量百分比计，合金成分设计如下：Ti-45Al-8Nb-V，余量为Ti。采用与实施例3相同的方法制备定向TiAl基合金。

实施例10

本发明定向TiAl基合金按质量百分比计，合金成分设计如下：Ti-45Al-4Nb-2Cr-V，余量为Ti。采用与实施例3相同的方法制备定向TiAl基合金。

实施例11

本发明定向TiAl基合金按质量百分比计，合金成分设计如下：Ti-45Al-2Nb-2Mo-2Mn，余量为Ti。采用与实施例3相同的方法制备定向TiAl基合金。

实施例12

本发明定向TiAl基合金按质量百分比计，合金成分设计如下：Ti-45Al-2Cr-2V-Mn，余量为Ti。采用与实施例3相同的方法制备定向TiAl基合金。

实施例13

本发明定向TiAl基合金按质量百分比计，合金成分设计如下：Ti-45Al-2Nb-2Cr-2V-Mn，余量为Ti。采用与实施例3相同的方法制备定向TiAl基合金。

Claims (8)

1.一种定向TiAl基合金，其特征在于，按原子百分比计，合金成分如下：Ti-(40-50)Al-aNb-bCr-cMo-dV-eMn，式中，a、b、c、d、e为原子百分比，a+b+c+d+e≤10，余量为Ti。

2.根据权利要求1所述的定向TiAl基合金，其特征在于，所述的a、b、c、d、e中至少两个不为0。

3.根据权利要求1所述的定向TiAl基合金，其特征在于，所述的a、b、c、d、e中至少三个不为0。

4.一种定向TiAl基合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步：按照合金成分配比将原料放入真空感应悬浮熔炼炉中熔炼母合金；

第二步：采用真空吸铸的方法，制备TiAl合金铸棒；

第三步：采用光学浮区晶体生长系统，对第二步制备出来的合金铸棒进行热处理。

5.根据权利要求4所述的定向TiAl基合金的制备方法，其特征在于，第一步中所述的合金成分如下：Ti-(40-50)Al-aNb-bCr-cMo-dV-eMn，式中，a、b、c、d、e为原子百分比，a+b+c+d+e≤10，余量为Ti。

6.根据权利要求4所述的定向TiAl基合金的制备方法，其特征在于，第一步中所述母合金熔炼时采用水冷铜坩埚，真空抽至10-3Pa以下，再充入惰性气体氩气至常压，熔炼功率为24kW，熔炼时间为3分钟，反复熔炼次数为3次。

7.根据权利要求4所述的定向TiAl基合金的制备方法，其特征在于，第二步中所述母合金铸棒的真空吸铸是采用Φ4的石英玻璃管吸铸成型，吸铸的压强差为0.03MPa，采用的功率为20kW。

8.根据权利要求4所述的定向TiAl基合金的制备方法，其特征在于，第三步中所述热处理工艺参数为：在1250-1300℃，保温2-5min，保护气氩气流量为3-3.6L/min，牵引棒转动速度为20rpm，抽拉速率为3-13μm/s，升温和降温速率均为276.4-276.6K/s。

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