CN107354344A - 一种β单相凝固TiAl基合金及其组织控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种β单相凝固TiAl基合金及其组织控制方法。本发明属于高温合金组织控制技术领域，具体涉及一种β单相凝固TiAl基合金及其组织控制方法。本发明为了解决现有β凝固TiAl合金塑性差的问题。本发明的产品的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、1.5％～3.5％的Cr、0.5％～1.5％的W、0.1％～0.5％的Si和余量的Ti组成。本发明的方法：一、采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭；二、将母合金铸锭切取成圆柱棒，在3μm/s～100μm/s的抽拉速率和10℃/mm～30℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。

Description

一种β单相凝固TiAl基合金及其组织控制方法
技术领域
本发明属于高温合金组织控制技术领域，具体涉及一种β单相凝固TiAl基合金及其组织控制方法。
背景技术
Ti-Al基合金是一种性能优异的中高温结构材料，且其密度不到镍基合金的50％，具有轻质、高比强度、高比刚度、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性等优点。近年来，人们通过在TiAl合金中添加大量的β相稳定元素，使合金在凝固初期的液/固相变时生成的初生相为β相，由β单相经过固态相变直接转变为α相，在合金的凝固过程中就避开了包晶反应，减少了包晶转变带来的成分不均匀以及元素偏析现象，同时，β单相凝固的路径还会细化TiAl基合金的铸态组织。但在常规的β单相凝固TiAl合金中由于含有大量的β相稳定元素，导致残余β/B2相稳定至室温，最终形成块状β/B2+γ和(α2+γ)片层团的混合组织。
在β凝固TiAl合金中由于大量β相合金元素的添加，在合金的室温组织中会生成大量的室温块状β/B2+γ，大量块状β/B2+γ的存在会使TiAl合金的塑性变差，使TiAl合金仅有的3％的延伸率完全丧失。
发明内容
本发明为了解决现有β凝固TiAl合金塑性差的问题，而提供一种β单相凝固TiAl基合金及其组织控制方法。
本发明的一种β单相凝固TiAl基合金的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、1.5％～3.5％的Cr、0.5％～1.5％的W、0.1％～0.5％的Si和余量的Ti组成。
本发明的一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法按以下步骤进行：
一、按照Ti-44Al-5Nb-(1.5～3.5)Cr-(0.5～1.5)W-(0.1～0.5)Si的原子百分含量称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝铬中间合金、铝钨中间合金和高纯硅，采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭；
二、将步骤一得到的母合金铸锭切取成圆柱棒，表面打磨去除氧化层，然后放入有Y2O3涂层的Al2O3的陶瓷管中，将陶瓷管连接至有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固装置中的抽拉杆上，启动Bridgman定向凝固装置的加热系统，加热至温度为1500～1800℃，并在1500～1800℃的条件下保温10min～40min，然后启动Bridgman定向凝固装置的抽拉装置，在3μm/s～100μm/s的抽拉速率和10℃/mm～30℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。
本发明所述“Bridgman定向凝固装置”出自刘桐、骆良顺、苏彦庆等人于2016,31(5):618-626发表于Journal of Material Research的名称为《Effect of growth rateon microstructures and microhardness in directionally solidified Ti–47Al–1.0W–0.5Si alloy》的文章。
本发明的有益效果
本发明给出了一种新型β凝固Ti-Al-Nb-Cr-W-Si合金体系。其主合金化元素为Nb、Cr、W，其中Cr会降低α相转变温度，添加Cr元素可提高合金的塑性。W元素可显著的提高合金的高温强度，改善其高温抗氧化性能。一般为了保证合金在高温下能够长时间使用，工程TiAl合金一般至少包含一种塑性元素和一种可以提高合金高温抗氧化性能和抗蠕变性能的合金元素。本发明中选择了Cr和W元素，同时添加少量的Si元素，使合金中析出少量的硅化物，提高合金的高温抗蠕变性能。
本发明提供一种采用控制定向凝固工艺的方法来调控β相凝固TiAl合金中块状β/B2+γ相的方法。相比于铸态合金，定向凝固合金大幅度的减少了块状β/B2+γ相，从而改善其室温塑性。本发明的新型β凝固TiAl合金显微组织细小，无明显的偏析，主要由(α2+γ)片层团和分布在片层团周围的B2/γ相组成。在不同的定向凝固工艺下，对铸态合金微观组织及相组成进行调控，可获得沿生长方向平行分布的条状B2/γ相，同时定向合金中的片层取向与生长方向的夹角在45°范围之内，可改善合金的力学性能。
附图说明
图1为试验二步骤一得到的合金成分为Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si的母合金铸锭的微观组织照片；
图2为试验二步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金的母合金铸锭的微观组织照片；
图3为试验四步骤一得到的合金成分为Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si的母合金铸锭的微观组织照片；
图4为试验四步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金的母合金铸锭的微观组织照片；
图5为试验六步骤一得到的合金成分为Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si的母合金铸锭的微观组织照片；
图6为试验六步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金的母合金铸锭的微观组织照片；
图7为试验八步骤一得到的合金成分为Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si的母合金铸锭的微观组织照片；
图8为试验八步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金的母合金铸锭的微观组织照片；
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种β单相凝固TiAl基合金的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、1.5％～3.5％的Cr、0.5％～1.5％的W、0.1％～0.5％的Si和余量的Ti组成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：一种β单相凝固TiAl基合金的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、2.5％的Cr、1.0％的W、0.3％的Si和余量的Ti组成。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式的一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法按以下步骤进行：
一、按照Ti-44Al-5Nb-(1.5～3.5)Cr-(0.5～1.5)W-(0.1～0.5)Si的原子百分含量称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝铬中间合金、铝钨中间合金和高纯硅，采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭；
二、将步骤一得到的母合金铸锭切取成圆柱棒，表面打磨去除氧化层，然后放入有Y2O3涂层的Al2O3的陶瓷管中，将陶瓷管连接至有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固装置中的抽拉杆上，启动Bridgman定向凝固装置的加热系统，加热至温度为1500～1800℃，并在1500～1800℃的条件下保温10min～40min，然后启动Bridgman定向凝固装置的抽拉装置，在3μm/s～100μm/s的抽拉速率和10℃/mm～30℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。
本实施方式所述的“Bridgman定向凝固装置”出自刘桐、骆良顺、苏彦庆等人于2016,31(5):618-626发表于Journal of Material Research的名称为《Effect of growthrate on microstructures and microhardness in directionally solidified Ti–47Al–1.0W–0.5Si alloy》的文章。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤一中按照Ti-44Al-5Nb-2.5Cr-1.0W-0.3Si的原子百分含量称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝铬中间合金、铝钨中间合金和高纯硅。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：步骤一中所述的铝铌中间合金中铌的含量为10％～50％。其他步骤及参数与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤一中所述的铝铬中间合金中铬的含量为10％～50％。其他步骤及参数与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：步骤一中所述的铝钨中间合金中钨的含量为10％～50％。其他步骤及参数与具体实施方式三至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是：步骤二中所述的加热至温度为1600℃，并在1600℃的条件下保温20min～30min。其他步骤及参数与具体实施方式三至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：步骤二中所述的抽拉速率为20μm/s～50μm/s。其他步骤及参数与具体实施方式三至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是：步骤二中所述的温度梯度为20℃/mm。其他步骤及参数与具体实施方式三至九之一相同。
用以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：本试验的本发明的一种β单相凝固TiAl基合金的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、1.5％的Cr、1.5％的W、0.5％的Si和余量的Ti组成，计为Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si。
试验二：制备如试验一所述的一种β单相凝固TiAl基合金(Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si)的组织控制方法按以下步骤进行：
一、按照Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si的原子百分含量称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝铬中间合金、铝钨中间合金和高纯硅，采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭；
二、将步骤一得到的母合金铸锭切取成Φ6mm×100mm的圆柱棒，表面打磨去除氧化层，然后放入有Y2O3涂层的Al2O3的陶瓷管中，将陶瓷管连接至有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固装置中的抽拉杆上，启动Bridgman定向凝固装置的加热系统，加热温度为1600℃，并在1600℃的条件下保温30min，然后启动Bridgman定向凝固装置的抽拉装置，在3μm/s的抽拉速率和30℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。
本试验所述的“Bridgman定向凝固装置”出自刘桐、骆良顺、苏彦庆等人于2016,31(5):618-626发表于Journal of Material Research的名称为《Effect of growth rateon microstructures and microhardness in directionally solidified Ti–47Al–1.0W–0.5Si alloy》的文章。
(一)分别对试验二步骤一得到的母合金铸锭和步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金进行微观组织检测，得到如图1所示的试验二步骤一得到的母合金铸锭微观组织照片和如图2所示的试验二步骤二得到的得到的β单相凝固TiAl基合金的微观组织照片，由图1和图2可以看出，定向凝固加工之后，该合金的微观组织发生了显著的变化，合金中块状β/B2+γ明显减少，且片层组织也得到了控制。
试验三：本试验的本发明的一种β单相凝固TiAl基合金的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、2.5％的Cr、1.0％的W、0.3％的Si和余量的Ti组成，计为Ti-44Al-5Nb-2.5Cr-1.0W-0.3Si。
试验四：制备如试验三所述的一种β单相凝固TiAl基合金(Ti-44Al-5Nb-2.5Cr-1.0W-0.3Si)的组织控制方法按以下步骤进行：
一、按照Ti-44Al-5Nb-2.5Cr-1.0W-0.3Si的原子百分含量称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝铬中间合金、铝钨中间合金和高纯硅，采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭；
二、将步骤一得到的母合金铸锭切取成Φ6mm×100mm的圆柱棒，表面打磨去除氧化层，然后放入有Y2O3涂层的Al2O3的陶瓷管中，将陶瓷管连接至有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固装置中的抽拉杆上，启动Bridgman定向凝固装置的加热系统，加热温度为1600℃，并在1600℃的条件下保温10min，然后启动Bridgman定向凝固装置的抽拉装置，在20μm/s的抽拉速率和20℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。
本试验所述的“Bridgman定向凝固装置”出自刘桐、骆良顺、苏彦庆等人于2016,31(5):618-626发表于Journal of Material Research的名称为《Effect of growth rateon microstructures and microhardness in directionally solidified Ti–47Al–1.0W–0.5Si alloy》。
(二)分别对试验四步骤一得到的母合金铸锭和步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金进行微观组织检测，得到如图3所示的试验四步骤一得到的母合金铸锭微观组织照片和如图4所示的试验四步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金的微观组织照片。
试验五：本试验的本发明的一种β单相凝固TiAl基合金的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、3.5％的Cr、0.5％的W、0.1％的Si和余量的Ti组成，计为Ti-44Al-5Nb-3.5Cr-0.5W-0.1Si。
试验六：制备如试验五所述的一种β单相凝固TiAl基合金(Ti-44Al-5Nb-3.5Cr-0.5W-0.1Si)的组织控制方法按以下步骤进行：
一、按照Ti-44Al-5Nb-3.5Cr-0.5W-0.1Si的原子百分含量称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝铬中间合金、铝钨中间合金和高纯硅，采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭；
二、将步骤一得到的母合金铸锭切取成Φ6mm×100mm的圆柱棒，表面打磨去除氧化层，然后放入有Y2O3涂层的Al2O3的陶瓷管中，将陶瓷管连接至有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固装置中的抽拉杆上，启动Bridgman定向凝固装置的加热系统，加热温度为1600℃，并在1600℃的条件下保温40min，然后启动Bridgman定向凝固装置的抽拉装置，在50μm/s的抽拉速率和20℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。
本试验所述的“Bridgman定向凝固装置”出自刘桐、骆良顺、苏彦庆等人于2016,31(5):618-626发表于Journal of Material Research的名称为《Effect of growth rateon microstructures and microhardness in directionally solidified Ti–47Al–1.0W–0.5Si alloy》。
(三)分别对试验六步骤一得到的母合金铸锭和步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金进行微观组织检测，得到如图5所示的试验六步骤一得到的母合金铸锭微观组织照片和如图6所示的试验六步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金的微观组织照片。
试验七：本试验的本发明的一种β单相凝固TiAl基合金的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、1.5％的Cr、1.5％的W、0.5％的Si和余量的Ti组成，计为Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si。
试验八：制备如试验七所述的一种β单相凝固TiAl基合金(Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si)的组织控制方法按以下步骤进行：
一、按照Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.5W-0.5Si的原子百分含量称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝铬中间合金、铝钨中间合金和高纯硅，采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭；
二、将步骤一得到的母合金铸锭切取成Φ6mm×100mm的圆柱棒，表面打磨去除氧化层，然后放入有Y2O3涂层的Al2O3的陶瓷管中，将陶瓷管连接至有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固装置中的抽拉杆上，启动Bridgman定向凝固装置的加热系统，加热温度为1600℃，并在1600℃的条件下保温20min，然后启动Bridgman定向凝固装置的抽拉装置，在100μm/s的抽拉速率和10℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。
本试验所述的“Bridgman定向凝固装置”出自刘桐、骆良顺、苏彦庆等人于2016,31(5):618-626发表于Journal of Material Research的名称为《Effect of growth rateon microstructures and microhardness in directionally solidified Ti–47Al–1.0W–0.5Si alloy》。
(四)分别对试验八步骤一得到的母合金铸锭和步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金进行微观组织检测，得到如图7所示的试验八步骤一得到的母合金铸锭微观组织照片和如图8所示的试验八步骤二得到的β单相凝固TiAl基合金的微观组织照片。
综上，虽然合金的微观组织都是由(α2+γ)片层和沿生长方向排布的B2/γ相组成，但是在不同的定向凝固工艺下，长条状B2/γ相的尺寸和间距不同，片层间距也有所变化，因此，可以通过控制定向凝固工艺条件来调控该合金中的不同相的形态及分布，以及合金中片层组织的片层取向，最终达到改善合金力学性能的目的。

Claims (10)

1.一种β单相凝固TiAl基合金，其特征在于一种β单相凝固TiAl基合金的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、1.5％～3.5％的Cr、0.5％～1.5％的W、0.1％～0.5％的Si和余量的Ti组成。
2.根据权利要求1所述的一种β单相凝固TiAl基合金，其特征在于一种β单相凝固TiAl基合金的合金成分按原子百分含量计为由44％的Al、5.0％的Nb、2.5％的Cr、1.0％的W、0.3％的Si和余量的Ti组成。
3.一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法，其特征在于一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法按以下步骤进行：
一、按照Ti-44Al-5Nb-(1.5～3.5)Cr-(0.5～1.5)W-(0.1～0.5)Si的原子百分含量称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝铬中间合金、铝钨中间合金和高纯硅，采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭；
二、将步骤一得到的母合金铸锭切取成圆柱棒，表面打磨去除氧化层，然后放入有Y2O3涂层的Al2O3的陶瓷管中，将陶瓷管连接至有高纯氩气保护的Bridgman定向凝固装置中的抽拉杆上，启动Bridgman定向凝固装置的加热系统，加热至温度为1500～1800℃，并在1500～1800℃的条件下保温10min～40min，然后启动Bridgman定向凝固装置的抽拉装置，在3μm/s～100μm/s的抽拉速率和10℃/mm～30℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。
4.根据权利要求3所述的一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法，其特征在于步骤一中按照Ti-44Al-5Nb-2.5Cr-1.0W-0.3Si的原子百分含量称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、铝铬中间合金、铝钨中间合金和高纯硅。
5.根据权利要求3所述的一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法，其特征在于步骤一中所述的铝铌中间合金中铌的含量为10％～50％。
6.根据权利要求3所述的一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法，其特征在于步骤一中所述的铝铬中间合金中铬的含量为10％～50％。
7.根据权利要求3所述的一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法，其特征在于步骤一中所述的铝钨中间合金中钨的含量为10％～50％。
8.根据权利要求3所述的一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法，其特征在于步骤二中所述的加热至温度为1600℃，并在1600℃的条件下保温20min～30min。
9.根据权利要求3所述的一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法，其特征在于步骤二中所述的抽拉速率为20μm/s～50μm/s。
10.根据权利要求3所述的一种β单相凝固TiAl基合金的组织控制方法，其特征在于步骤二中所述的温度梯度为20℃/mm。
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