CN105821232B - 一种通过添加纳米Y2O3提高Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb合金室温拉伸性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过添加纳米Y2O3提高Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb合金室温拉伸性能的方法，本发明涉及一种通过添加纳米Y2O3提高Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb合金室温拉伸性能的方法，本发明的目的是为了解决现有直接铸造的Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb合金组织粗大，偏析严重的问题。本发明方法为：在Ti48Al2Cr2Nb合金中添加纳米Y2O3颗粒，采用水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉，在高真空/氩气环境下经由熔体反应直接生成细小Y2O3颗粒均匀、弥散分布的全层片组织。本发明添加纳米Y2O3后明显的提高了合金的室温抗拉强度，其室温塑性也得到了较大的改善，本发明属于金属材料室温力学性能领域。

Description

一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性 能的方法
技术领域
本发明涉及一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法。
背景技术
随着人们对能量转换率和环境的要求越来越高，材料的服役环境和性能指标越来越苛刻，尤其在航空、汽车领域。TiAl合金具有高比强度、高比刚度、耐氧化、抗蠕变性高、阻燃性好的优点，有望在600-800摄氏度范围内取代传统镍基高温合金，成为新一代航空发动机和汽车工业热端部件的理想替代材料。
文献T.Novoselova,S.Malinov,W.Sha.Experimental study of the effects ofheat treatment on microstructure and grain size of a gamma TiAl alloy[J].Intermetallics,2003,(11):491–499指出美国空军和通用电气合作开发出第二代TiAl合金Ti-48Al-2Cr-2Nb，该型合金已在很多发动机上装机试验。
文献Guy Norris.Power House[R].Evendale：Flight International，2006记载2006年GE、PCC公司共同成功的完成了为波音787配套的GEnX发动机低压涡轮第六和第七级铸造Ti-4822叶片的生产，使TiAl合金的大规模商用成为可能，推动了各国对TiAl研究的一个新的高潮。
但是包括Ti-48Al-2Cr-2Nb在内的传统TiAl合金仍然面临着室温力学性能较差，不能满足实际工程应用领域对强度、塑性等要求的现实情况。原因就是直接铸造的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织粗大，偏析严重。为了提高TiAl合金的室温拉伸力学性能，在不影响TiAl合金高温力学性能及抗氧化性的情况下，可以通过引入其他微量成分到合金基体中控制合金晶粒大小和片层间距，从而控制TiAl合金室温力学性能。文献Kim YW.Intermetallic alloys based on gamma titanium aluminide[J].JOM，1989，41(7)：24-30指出细晶二元合金的塑性和铝含量有关，当两相成分在Ti-48at％Al附近是延伸率最好，因此目前具有工程意义的γ钛铝合金大都是基于Ti-(45～48)at％Al。然而为了提高合金的其他性能往往又需要在此基础上添加其他合金元素。李宝辉研究了Y对铸态Ti-45Al-5Nb合金组织性能的影响，发现加入0.3Y后延伸率从0.32％提高到0.45％，平均晶粒尺寸从600μm降至100μm，平均片间距从470nm降至200nm，但是单纯加入大块状AlY中间合金使得合金在熔炼过程中熔体反应进行的不彻底，反应生成的Y2O3相量少且没有弥散分布，在层片团晶界处富集大量Al2Y相并连成网络，恶化性能。柴丽华研究了Y的添加对快速凝 固Ti46Al2Cr2Nb合金组织性能的影响，发现在快速凝固下含钇相以球状弥散分布于基体中，其组织相对于铸态含钇合金明显细化，但是这种方法目前还不能用于生产大块结构材料。TiAl合金通过反应生成弥散相的研究未见有报道，一方面是TiAl性质极为活泼，需要在特殊熔炼条件下，另外钛铝活泼的性质也使熔体反应极难控制，不易制得均匀弥散分布第二相的基体。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有直接铸造的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织粗大，偏析严重的问题，提供一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法。
本发明一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法为：
一、先将水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉的炉腔内气压抽至4Pa，然后充氩气至700-800Pa，重复两次完成洗气过程；二、将Nb质量含量为52.4％的NbAl中间合金、纯钛棒、纯铝锭、纯Cr和直径为10～100nm、原子百分数为0.025-0.1％的纳米Y2O3颗粒均匀混合，装入水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉中，打开循环冷却水，在氩气环境下，将功率调至20kw，待纯铝锭全部熔化后，调大功率至40～50kw，待纯钛棒熔化后，调节功率调至80kw，保温20min，再进行浇铸，得到添加纳米Y2O3的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，其中合金成分原子百分比为:Al:48％、Cr:2％、Nb:2％、Y2O3:0.025-0.1％以及余量的Ti。
本发明的有益效果为：本发明通过添加适量纳米Y2O3在Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中，纳米Y2O3的加入通过与熔体剧烈反应改善了基体组织元素含量，阻碍了晶粒的长大，细化晶粒，增加了片层形核位置，减小了片层间距，在长大的含钇相周围形成应力场，加大了原子错排度，增加了位错数量；随着位错数量的增多，一方面位错之间的缠结阻碍了位错的进一步滑移，另外含钇相的析出也阻碍了位错的滑移，提高了强度；随着晶粒和片层的细化，合金的塑性也会得到明显改善。添加纳米Y2O3后合金强度和塑性的提高是晶粒、片层细化以及位错强化、析出强化综合作用的结果，在细化晶粒和层片间距的同时，明显的提高了合金的室温抗拉强度，其室温塑性也得到了较大的改善，为Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在实际中的应用打下基础。
附图说明
图1是实施例1和实施例2片状拉伸试样尺寸图；
图2为实施例1的组织试样的200倍扫描电镜照片；
图3和图4为实施例1的组织试样不同析出物的1500倍扫描电镜照片；
图5为实施例2的组织试样的200倍扫描电镜照片；
图6为实施例2的组织试样的1000倍扫描电镜照片；
图7为实施例2的组织试样的1500倍扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法为：
二、先将水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉的炉腔内气压抽至4Pa，然后充氩气至700-800Pa，重复两次完成洗气过程；二、将Nb质量含量为52.4％的NbAl中间合金、纯钛棒、纯铝锭、纯Cr和直径为10～100nm、原子百分数为0.025-0.1％的纳米Y2O3颗粒均匀混合，装入水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉中，打开循环冷却水，在氩气环境下，将功率调至20kw，待纯铝锭全部熔化后，调大功率至40～50kw，待纯钛棒熔化后，调节功率调至80kw，保温20min，再进行浇铸，得到添加纳米Y2O3的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，其中合金成分原子百分比为:Al:48％、Cr:2％、Nb:2％、Y2O3:0.025-0.1％以及余量的Ti。
本实施方式的有益效果为：本实施方式通过添加适量纳米Y2O3在Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中，纳米Y2O3的加入通过与熔体剧烈反应改善了基体组织元素含量，阻碍了晶粒的长大，细化晶粒，增加了片层形核位置，减小了片层间距，在长大的含钇相周围形成应力场，加大了原子错排度，增加了位错数量；随着位错数量的增多，一方面位错之间的缠结阻碍了位错的进一步滑移，另外含钇相的析出也阻碍了位错的滑移，提高了强度；随着晶粒和片层的细化，合金的塑性也会得到明显改善。添加纳米Y2O3后合金强度和塑性的提高是晶粒、片层细化以及位错强化、析出强化综合作用的结果，在细化晶粒和层片间距的同时，明显的提高了合金的室温抗拉强度，其室温塑性也得到了较大的改善，为Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在实际中的应用打下基础。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中纯钛棒是指钛质量百分含量为99.9％的钛棒。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中纯铝锭是指铝质量百分含量为99.9％的铝锭。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中纯Cr是指Cr质量百分含量为99.9％。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中在Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中添加直径为30nm、原子百分数为0.025％的纳米Y2O3颗粒。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中在Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中添加直径为30nm、原子百分数为0.1％的纳米Y2O3颗粒。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二氩气环境是指充氩气至850～900Pa。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉的温度为1500～1600℃。其它与具体实施方式一至七之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1、本实施例一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法为：
一、先将水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉的炉腔内气压抽至4Pa，然后充氩气至700-800Pa，重复两次完成洗气过程；二、将Nb质量含量为52.4％的NbAl中间合金、纯钛棒、纯铝锭、纯Cr和直径为30nm、原子百分数为0.025％的纳米Y2O3颗粒均匀混合，装入水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉中，打开循环冷却水，充氩气至850～900Pa，熔炼温度为1500℃，将功率调至20kw，待纯铝锭全部熔化后，调大功率至40～50kw，待纯钛棒熔化后，调节功率调至80kw，保温20min，再用金属模浇铸，尺寸是放进炉腔前要在500℃下预热两个小时，待金属液熔炼完成后通过机械臂控制坩埚将熔融金属液倒入金属模中，冷却十分钟后取出铸锭。，得到添加纳米Y2O3的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，其中合金成分原子百分比为:Al:48％、Cr:2％、Nb:2％、Y2O3:0.025％以及余量的Ti。
拉伸试验：线切割成如图1所示尺寸片状拉伸试样，经过60、400、800、2000目砂纸打磨片状拉伸试样正面及侧面平滑和圆弧处，尽量减少线切割痕对拉伸性能的影响，然后在试样正面中部位置用502胶水将应变片粘在上面；测试在instron-5569电子万能试验机进行，应变速率0.1mm/min，每组成分均测试12个拉伸试样以保证结果在统计学意义上的准确性。
本实施例步骤二中所述的纯钛棒是指钛质量百分含量为99.9％的钛棒；纯铝锭是指铝质量百分含量为99.9％的铝锭；纯Cr是指Cr质量百分含量为99.9％。
实施例2、本实施例一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法为：
一、先将水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉的炉腔内气压抽至4Pa，然后充氩气至700-800Pa，重复两次完成洗气过程；将Nb质量含量为52.4％的NbAl中间合金、纯钛棒、纯铝锭、纯Cr和直径为30nm、原子百分数为0.1％的纳米Y2O3颗粒均匀混合，，装入水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉中，打开循环冷却水，充氩气至850～900Pa，熔炼温度为1500℃，将功率调至20kw，待纯铝锭全部熔化后，调大功率至40～50kw，待纯钛棒熔化后，调节功率调至80kw，保温20min，再用金属模浇铸，尺寸是放进炉腔前要在500℃下预热两个小时，待金属液熔炼完成后通过机械臂控制坩埚将熔融金属液倒入金属模中，冷却十分钟后取出铸锭。，得到添加纳米Y2O3的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，其中合金成分原子百分比为:Al:48％、Cr:2％、Nb:2％、Y2O3:0.025％以及余量的Ti。
拉伸试验：线切割成如图1所示尺寸片状拉伸试样，经过60、400、800、2000目砂纸打磨片状拉伸试样正面及侧面平滑和圆弧处，尽量减少线切割痕对拉伸性能的影响，然后在试样正面中部位置用502胶水将应变片粘在上面；测试在instron-5569电子万能试验机进行，应变速率0.1mm/min，每组成分均测试12个拉伸试样以保证结果在统计学意义上的准确性。
本实施例步骤二中所述的纯钛棒是指钛质量百分含量为99.9％的钛棒；纯铝锭是指铝质量百分含量为99.9％的铝锭；纯Cr是指Cr质量百分含量为99.9％。
对实施例1和2的组织试样进行扫描电镜观察，能够看出含钇相均匀、弥散分布于TiAl基体中，没有明显沿晶析出的痕迹，平均直径1.5μm，相比刚加入时长大明显，如图2～图7所示。实施例1的组织试样强度达到746MPa，塑性达到0.75％，相比于铸态Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，分别提高了98％和92％；实施例2的组织试样的强度达到752MPa，塑性达到0.70％，相比于铸态Ti-48Al-2Cr-2Nb合金分别提高了100％和79％。由此可知，纳米Y2O3的加入通过与熔体剧烈反应改善了基体组织元素含量，阻碍了晶粒的长大，细化晶粒，增加了片层形核位置，减小了片层间距，在长大的含钇相周围形成应力场，加大了原子错排度，增加了位错数量；随着位错数量的增多，一方面位错之间的缠结阻碍了位错的进一步滑移，另外含钇相的析出也阻碍了位错的滑移，提高了强度；随着晶粒和片层的细化，合金的塑性也会得到明显改善。添加纳米Y2O3后合金强度和塑性的提高是晶粒、片层细化以及位错强化、析出强化综合作用的结果。
由实施例1～2可知，本发明通过添加适量纳米Y2O3在Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中，在细化晶粒和层片间距的同时，明显的提高了合金的室温抗拉强度，其室温塑性也得到了较大的改善，为Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在实际中的应用打下基础。

Claims (8)

1.一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法，其特征在于该方法为：
一、先将水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉的炉腔内气压抽至4Pa，然后充氩气至700-800Pa，重复两次完成洗气过程；二、将Nb质量含量为52.4％的NbAl中间合金、纯钛棒、纯铝锭、纯Cr和直径为10～100nm、原子百分数为0.025-0.1％的纳米Y2O3颗粒均匀混合，装入水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉中，打开循环冷却水，在氩气环境下，将功率调至20kw，待纯铝锭全部熔化后，调大功率至40～50kw，待纯钛棒熔化后，调节功率调至80kw，保温20min，再进行浇铸，得到添加纳米Y2O3的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，其中合金成分原子百分比为:Al:48％、Cr:2％、Nb:2％、Y2O3:0.025-0.1％以及余量的Ti。
2.根据权利要求1所述的一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法，其特征在于步骤二中纯钛棒是指钛质量百分含量为99.9％的钛棒。
3.根据权利要求1所述的一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法，其特征在于步骤二中纯铝锭是指铝质量百分含量为99.9％的铝锭。
4.根据权利要求1所述的一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法，其特征在于步骤二中纯Cr是指Cr质量百分含量为99.9％。
5.根据权利要求1所述的一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法，其特征在于步骤二中在Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中添加直径为30nm、原子百分数为0.025％的纳米Y2O3颗粒。
6.根据权利要求1所述的一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法，其特征在于步骤二中在Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中添加直径为30nm、原子百分数为0.1％的纳米Y2O3颗粒。
7.根据权利要求1所述的一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法，其特征在于步骤二氩气环境是指充氩气至850～900Pa。
8.根据权利要求1所述的一种通过添加纳米Y2O3提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能的方法，其特征在于步骤二水冷铜坩埚感应凝壳熔炼炉的温度为1500～1600℃。
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