CN104404345A - 一种含τ3相γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法，涉及一种γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。本发明提供了一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。本发明的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。制备方法为：一、称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；二、压块成型，得到金属压块；三、熔炼、铸型，即得到含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭。本发明得到的γ-TiAl金属间化合物材料显微组织非常细小，层片团尺寸100μm左右，形成的τ₃相主要出现在片层团晶界处，并呈网状分布。本发明应用于轻质耐热高温结构材料的制备领域。

Description

一种含τ3相γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。

背景技术

γ-TiAl基合金是一种新型的高温结构材料，具有高熔点、低密度、高弹性模量以及较好的高温强度、阻燃能力、抗氧化性等优点，是一种具有广阔应用前景的新型轻质耐热高温结构材料，被认为是极具竞争潜力的下一代航空发动机用结构材料之一。然而，TiAl金属间化合物粗大的组织及低的室温塑性限制了其广泛应用。数十年来，国内外学者在TiAl金属间化合物的组织和性能方面做了大量的探索与研究。结果显示，通过加入一定量的合金元素，改变合金的凝固路径，可以细化γ-TiAl的铸态组织。含β相γ-TiAl基合金就是利用这种方法，通过添加足够量的β稳定元素使合金由传统的L→L+β→α…转变为L→L+β→β→…，得到细小的铸态组织。通过研究Ti-Al-Ni三元相图发现，通过添加少量的Ni元素也可以改变合金凝固路径，使合金由传统的L→L+β→α…变为L→L+β→α+τ₃→…，得到细小的铸态组织。然而，关于含τ₃相的γ-TiAl金属间化合物材料的制备及Ni在γ-TiAl合金中的物理冶金行为尚未见报道。

发明内容

本发明提供了一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。

本发明的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al：47％～48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％～3％和余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。

上述的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行：

一、按各元素摩尔百分比为Al：47％～48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％～3％和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；

二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；

三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至300～400℃，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.0×10^-3～3.0×10^-3mbar，再以10～15kW/min速率将熔炼功率升至80～90kW后熔炼300～400s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，并随炉冷却，即得到含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭；

其中，海绵钛的质量纯度为99.7％，高纯铝质量纯度为99.99％，铝铌中间合金的质量纯度为99.8％，电解铬的质量纯度为99.99％，镍豆的质量纯度为99.99％；各原料为市售产品。

本发明包括以下有益效果：

本发明确定了Ni的最佳加入量范围，在材料凝固过程中，Ni的加入改变了合金的凝固路线，由传统的L→L+β→α…变为L→L+β→α+τ₃…，得到的γ-TiAl金属间化合物材料显微组织非常细小，层片团尺寸100μm左右，形成的τ₃相主要出现在片层团晶界处，并呈网状分布。细小均匀、无明显偏析的组织有利于改善合金的综合性能。

附图说明

图1试验一制备的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的X-射线衍射谱图；其中，●为TiAl，▽为Ti₃Al，◆为τ₃；

图2试验一制备的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的扫描电子显微图；

图3试验二制备的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的X-射线衍射谱图；其中，●为TiAl，▽为Ti₃Al，◆为τ₃；

图4试验二制备的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的扫描电子显微图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al：47％～48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％～3％和余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。

具体实施方式二：本实施方式的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行：

一、按各元素摩尔百分比为Al：47％～48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％～3％和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；

二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；

三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至300～400℃，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.0×10^-3～3.0×10^-3mbar，再以10～15kW/min速率将熔炼功率升至80～90kW后熔炼300～400s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，并随炉冷却，即得到含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭；

其中，海绵钛的质量纯度为99.7％，高纯铝质量纯度为99.99％，铝铌中间合金的质量纯度为99.8％，电解铬的质量纯度为99.99％，镍豆的质量纯度为99.99％；各原料为市售产品。

本实施方式包括以下有益效果：

本发明实施方式确定了Ni的最佳加入量范围，在材料凝固过程中，Ni的加入改变了合金的凝固路线，由传统的L→L+β→α…变为L→L+β→α+τ₃…，得到的γ-TiAl金属间化合物材料显微组织非常细小，层片团尺寸100μm左右，形成的τ₃相主要出现在片层团晶界处，并呈网状分布。细小均匀、无明显偏析的组织有利于改善合金的综合性能。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤三中金属铸型预热至350～400℃。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤三中抽真空至1.8×10^-3～2.0×10^-3mbar。其它与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤三中以10kW/min速率将熔炼功率升至85～90kW。其它与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤三中熔炼300～360s。其它与具体实施方式二至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤三中金属铸型尺寸为Φ50×60mm。其它与具体实施方式二至六之一相同。

通过以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：本试验的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行：

一、按各元素质量百分比为Al、Nb、Cr、Ni和Ti元素的摩尔百分含量为Al：48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：3％和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；

二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；

三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至350℃，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.8×10^-3mbar，再以10kW/min速率将熔炼功率升至85kW后熔炼300s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，金属铸型尺寸为Φ50×60mm，并随炉冷却，即得到含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭；

其中，海绵钛的质量纯度为99.7％，高纯铝质量纯度为99.99％，铝铌中间合金的质量纯度为99.8％，电解铬的质量纯度为99.99％，镍豆的质量纯度为99.99％；各原料为市售产品。

采用电火花线切割方法从铸锭上切取10×10×10mm试样，扫描试样经金相砂纸从60目磨到2000目，再用电解抛光机精抛；X射线衍射试样经水洗砂纸从180目磨到1000目，再用无水乙醇清洗表面。

利用XRD(X射线衍射仪)进行分析，本试验制备的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的X-射线衍射谱图如图1所示，从图1可以看出，合金中除了α₂和γ相之外，还有τ₃相出现；

利用扫描电子显微镜进行分析，本试验制备的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的扫描电子显微图如图2所示，从图2可以看出，亮白色τ₃相主要分布在片层团晶界处并呈网状分布，黑色衬度的为γ相，层片团平均尺寸为80μm。

试验二：本试验的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行：

一、按各元素质量百分比为Al、Nb、Cr、Ni和Ti元素的摩尔百分含量为Al：47％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；

二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；

三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至400℃，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至2.0×10^-3mbar，再以10W/min速率将熔炼功率升至90kW后熔炼360s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，金属铸型尺寸为Φ50×60mm，并随炉冷却，即得到含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭；

其中，海绵钛的质量纯度为99.7％，高纯铝质量纯度为99.99％，铝铌中间合金的质量纯度为99.8％，电解铬的质量纯度为99.99％，镍豆的质量纯度为99.99％；各原料为市售产品。

采用电火花线切割方法从铸锭上切取10×10×10mm试样，扫描试样经金相砂纸从60目磨到2000目，再用电解抛光机精抛；X射线衍射试样经水洗砂纸从140目磨到1000目，再用无水乙醇清洗表面。

利用XRD(X射线衍射仪)进行分析，本试验制备的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的X-射线衍射谱图如图3所示，从图3可以看出，合金中除了α₂和γ相之外，还有τ₃相出现；

利用扫描电子显微镜进行分析，本试验制备的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的扫描电子显微图如图4所示，从图4可以看出，亮白色τ₃相主要分布在片层团晶界处并呈网状分布，黑色衬度的为γ相，层片团平均尺寸为100μm。

Claims (7)

1.一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭，其特征在于含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al：47％～48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％～3％和余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。

2.一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行：

一、按各元素摩尔百分比为Al：47％～48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％～3％和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；

二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；

三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至300～400℃，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.0×10^-3～3.0×10^-3mbar，再以10～15kW/min速率将熔炼功率升至80～90kW后熔炼300～400s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，并随炉冷却，即得到含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭；

其中，海绵钛的质量纯度为99.7％，高纯铝质量纯度为99.99％，铝铌中间合金的质量纯度为99.8％，电解铬的质量纯度为99.99％，镍豆的质量纯度为99.99％；各原料为市售产品。

3.根据权利要求2所述的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中金属铸型预热至350～400℃。

4.根据权利要求2所述的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中抽真空至1.8×10^-3～2.0×10^-3mbar。

5.根据权利要求2所述的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中以10kW/min速率将熔炼功率升至85～90kW。

6.根据权利要求2所述的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中熔炼300～360s。

7.根据权利要求2所述的一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中金属铸型尺寸为Φ50×60mm。