CN105803257B - 一种提高TiAl‑Nb合金液态流动性的方法 - Google Patents

一种提高TiAl‑Nb合金液态流动性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高TiAl‑Nb合金液态流动性的方法，所述TiAl‑Nb合金以原子百分比计为：Ti‑(40~50)Al‑(5~10)Nb，其余为Ti。其步骤为：采用水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼TiAl‑Nb母合金铸锭，先把铌置于铜坩埚底部，钛沿坩埚壁放置，铝置于中间，开始将功率调至10kw保持20S，然后调至15kw直到全部熔化悬浮，接着把功率调至20kw保持到180S，反复熔炼4~5次；将铸锭放入电弧炉进行重力铸造，电弧炉引弧后电流调至150A，当母合金铸锭表面全部成为液态后加大电流至230A让合金全部成为液态，把钨极棒由中心向四周旋转，电流加大至320~350A，液面下降得到试样棒。本发明所述方法可确保试样棒元素无烧损，成分均匀，且有效提高TiAl‑Nb合金液态流动性，减少缩孔缩松等缺陷。

Description

一种提高TiAl-Nb合金液态流动性的方法
技术领域
本发明属于合金工艺领域，具体涉及一种提高TiAl-Nb合金液态流动性的方法。
背景技术
高铌TiAl金属间化合物经过近年来的研究，在相图、抗氧化性和组织与性能等方面的研究取得了一系列重要的进展。其优异的高温性能而受到广泛的关注，高含量难熔金属铌元素的加入使合金的熔点较普通钛铝合金提高约60～100℃，铌元素的固溶强化，使其900℃的屈服强度较普通钛铝合金高150～200M Pa，高熔点铌的加入同时降低了扩散系数，改善了抗氧化性，是最具有应用潜力的新一代高温结构材料。但是高铌的加入带来优越的高温性能的同时，也增加了合金的制备的难度，因为合金熔点、高温强度大幅度提高必然要提高合金的熔炼温度和热加工温度，高铌钛铝基合金作为新一代高温结构材料的研究开发目前尚处于起步阶段。
目前普通钛铝基合金的制备工艺主要铸锭冶金工艺。传统的熔炼方法包括感应熔炼,真空自耗重熔，等离子熔炼等三种主要熔炼工艺。第一种工艺一般是将纯金属组元混在一起进行感应加热熔炼，而后两钟工艺一般是将纯组元混在一起压制成电极进行重熔。
由于高铌TiAl合金的熔点的升高使得在采用感应熔炼工艺时，浇注温度很高，铸锭经常出现宏观缩孔和大量的疏松。后两种熔炼工艺使电极熔化成金属液滴滴入水冷坩埚后迅速凝固，就熔化的熔滴温度来讲温度比感应熔炼的熔液温度高得多，而且熔滴很小，因此单个熔滴扩散过程非常充分，在凝固过程中基本上不存疏松与成分偏析，但是采用纯组元制备的自耗电极横截面上各部分的成分不同，因此熔滴与熔滴之间成分是不同的，由于单个熔滴滴入水冷铜坩埚后迅速凝固，熔滴与熔滴之间不存在成分均匀化过程，高熔点铌来不及扩散均匀化，使合金出现铌铝的严重偏析，这将导致铸态组织严重不均。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高TiAl-Nb合金液态流动性且控制合金元素不烧损的工艺方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种提高TiAl-Nb合金液态流动性的方法，按原子百分比计，所述的TiAl-Nb合金成分为：Ti-(40～50)Al-(5～10)Nb，其余为Ti，包括以下步骤：
(1)采用水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼，先把铌放置于铜坩埚底部，钛沿着铜坩埚内壁放置，把铝置于铌上且避免与铜坩埚接触，将功率调节到10±1kw开始熔炼，保持18-22s，然后调节至15±1kw直至金属全部熔化悬浮起来，接着把功率调至20±1kw保持170-190s，铸锭反复熔炼4～5次，其中，铜坩埚采用底部为圆锥形状的铜坩埚；
(2)采用真空非自耗电弧熔炼炉对母合金铸锭进行重力铸造：抽真空至10-3Pa以下，通入氩气至0.2-0.3MPa；打开电源引弧，引弧成功后将钨极棒放置于母合金铸锭正中心保持不动，同时将电流调至150±5A；观察母合金铸锭表面，等到表面全部形成液态而表面液体又不流动的时候立刻加大电流至230±5A，将钨极棒按顺时针或逆时针由中心向外围转动20s以上，将钨极棒放回中心，加大电流至320～350A，直到液面突然下降，关闭电源。
其中，步骤(1)中，悬浮熔炼前，当真空度小于10-3Pa时，反向通入标准大气压的惰性氩气进行保护。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)运用该工艺方法可以更大程度的减少合金中的缩孔、缩松等缺陷，减少合金中铝偏析，确保合金成分均匀且元素不烧损。
(2)该工艺方法简单，快速高效，成本低，具有普遍适用性及推广价值。
下面结合附图对本发明作详细描述。
附图说明
图1是采用新工艺前与新工艺后所做出的试样棒样品图。
图2是采用新工艺前后所做出的试样棒对半剖后内部全貌图。
图3是本发明实施例2为Ti-45Al-8Nb合金熔炼后合金微观组织图(a)及面扫描结果(b)。
具体实施方式
实施例1
选择纯度为99.99％的高纯Ti、Al和Nb原料，配比成分为Ti50Al40Nb10的合金。
(1)采用水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼，先把铌放置于铜坩埚底部，钛沿着铜坩埚内壁放置，把铝置于铌上且避免与铜坩埚接触，将功率调节到10kw开始熔炼，保持20s，然后调节至15kw直至金属全部熔化悬浮起来，接着把功率调至20kw保持180s，铸锭反复熔炼4～5次，其中，铜坩埚采用底部为圆锥形状的铜坩埚；
(2)采用真空非自耗电弧熔炼炉对母合金铸锭进行重力铸造：抽真空至10-3Pa以下，通入氩气至0.3MPa；打开电源引弧，引弧成功后将钨极棒放置于母合金铸锭正中心保持不动，同时将电流调至150A；观察母合金铸锭表面，等到表面全部形成液态而表面液体又不流动的时候立刻加大电流至230A，将钨极棒按顺时针或逆时针由中心向外围转动20s以上，将钨极棒放回中心，加大电流至320～350A，直到液面突然下降，关闭电源。最后得到没有缩孔缩松缺陷，成分均匀长度达到17cm的试样棒，如图1，采用新工艺所做出的试样棒几乎是采用老工艺所做出试样棒长度的两倍。图2中，采用老工艺做出的短试样棒半剖面可以看到明显的缩孔缺陷，而采用新工艺做出的长试样棒半剖面则光亮无缺陷。
实施例2
采用成分为Ti47Al45Nb8的合金。其他条件同实施例1，依然可得到没有缩孔缩松缺陷，成分均匀长度达到15cm的试样棒，如图3，把试样棒对半剖开观察微观组织并进行面扫描，合金的实际成分准确控制在误差范围之内。
实施例3
采用成分为Ti45Al50Nb5的合金。其他条件同实施例1，依然可得到没有缩孔缩松缺陷，成分均匀长度达到15cm的试样棒。
对比例1
选择纯度为99.99％的高纯Ti、Al和Nb原料，配比成分为Ti46Al45Nb9的合金。
(1)采用水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼，先把铌放置于铜坩埚底部，钛沿着铜坩埚内壁放置，把铝置于铌上且避免与铜坩埚接触，将功率调节到10kw开始熔炼，保持20s，然后调节至15kw直至金属全部熔化悬浮起来，接着把功率调至20kw保持180s，铸锭反复熔炼4～5次，其中，铜坩埚采用底部为圆锥形状的铜坩埚；
(2)采用真空非自耗电弧熔炼炉对母合金铸锭进行重力铸造：抽真空至10-3Pa以下，通入氩气至0.3MPa；打开电源引弧，引弧成功后将钨极棒沿着锭子四周转动同时将电流调至280A；等到全部熔化后再加大电流至340A,直到液面突然下降，关闭电源。最后得到的试样棒中心有大量缩孔，且试样棒长度只有8cm。
对比例2
选择纯度为99.99％的高纯Ti、Al和Nb原料，配比成分为Ti46Al45Nb9的合金。
(1)采用水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼，先把铌放置于铜坩埚底部，钛沿着铜坩埚内壁放置，把铝置于铌上且避免与铜坩埚接触，将功率调节到10kw开始熔炼，保持20s，然后调节至15kw直至金属全部熔化悬浮起来，接着把功率调至20kw保持180s，铸锭反复熔炼4～5次，其中，铜坩埚采用底部为圆锥形状的铜坩埚；
(2)采用真空非自耗电弧熔炼炉对母合金铸锭进行重力铸造：抽真空至10-3Pa以下，通入氩气至0.3MPa；打开电源引弧，引弧成功后将钨极棒沿着锭子四周转动同时将电流调至170A保持20s；然后加大电流至250A保持20s，最后加大电流至340A保持10s，关闭电源。最后合金完全没有流入模具中，形成一个椭圆状铸锭，且铸锭中间有分层。

Claims (3)

1.一种提高TiAl-Nb合金液态流动性的方法，其特征在于，按原子百分比计，所述的TiAl-Nb合金成分为：Ti-(40～50)Al-(5～10)Nb，其余为Ti，包括以下步骤：
(1)采用水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼，先把铌放置于铜坩埚底部，钛沿着铜坩埚内壁放置，把铝置于铌上且避免与铜坩埚接触，将功率调节到10±1kw开始熔炼，保持18-22s，然后调节至15±1kw直至金属全部熔化悬浮起来，接着把功率调至20±1kw保持170-190s，铸锭反复熔炼4～5次；
(2)采用真空非自耗电弧熔炼炉对母合金铸锭进行重力铸造：抽真空至10-3Pa以下，通入氩气至0.2-0.3MPa；打开电源引弧，引弧成功后将钨极棒放置于母合金铸锭正中心保持不动，同时将电流调至150±5A；观察母合金铸锭表面，等到表面全部形成液态而表面液体又不流动的时候立刻加大电流至230±5A，将钨极棒按顺时针或逆时针由中心向外围转动20s以上，将钨极棒放回中心，加大电流至320～350A，直到液面突然下降，关闭电源。
2.如权利要求1所述的提高TiAl-Nb合金液态流动性的方法，其特征在于，铜坩埚采用底部为圆锥形状的铜坩埚。
3.如权利要求1所述的提高TiAl-Nb合金液态流动性的方法，其特征在于，步骤(1)中，悬浮熔炼前，当真空度小于10-3Pa时，反向通入标准大气压的氩气进行保护。
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