CN109226666B - 一种复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件 - Google Patents

一种复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金制备技术领域，尤其涉及一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件。具体步骤为：将金属原料按原子比熔炼制成合金母锭；根据构件形状要求制备铸型；将切割后的合金母锭固定于铸型内并放入电磁冷坩埚腔体内，铸型下端浸入液态金属冷却液；将定向凝固装置抽真空后返充氩气；利用电磁感应将合金母锭加热至熔化后在一定温度下以一定速度向下抽拉铸型，当抽拉距离达到要求时，停止抽拉和加热，降温后即得定向凝固合金构件。本发明在满足合金构件形状要求的同时，能够降低铸型与高活性合金熔体的反应，减少铸型的污染；改善合金构件的显微组织，显著提升TiAl基合金构件的力学性能。

Description

一种复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件
技术领域
本发明属于合金制备技术领域，尤其涉及一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件。
背景技术
TiAl基合金具有轻质、高比强度、耐磨、耐高温、优异的抗氧化性和抗蠕变性能，在航空航天工业、交通运输行业等领域工程化应用前景良好。但其存在室温延性低、室温加工性能差等缺点极大地限制了其在实际生产的应用。为了改善TiAl基合金的室温塑性，发挥其高温使用性能的优势，众多学者主要从控制合金成分和改进成型工艺两个方面进行研究。
定向凝固技术的应用是TiAl基合金成型工艺一大进步，通过消除组织中与承载方向垂直的横向晶界，使全片层最佳性能取向与载荷方向保持一致，从而提高合金在承载方向上的塑性和断裂韧性等力学性能。由于TiAl基合金的高熔点及高温活性的限制，目前TiAl基合金定向凝固铸锭主要采用Bridgman定向凝固、光/电磁浮区定向凝固和冷坩埚定向凝固三种方法制备。
含有陶瓷铸型法是目前一种既可以控制组织又能满足形状要求的定向工艺。因此，它的应用和发展对TiAl基合金的工程化具有重要意义。然而，由于TiAl基合金熔体的高活性，会与铸型发生反应从而影响定向凝固合金的组织和性能。同时，不可避免的反应会导致定向凝固过程对铸型质量严苛的要求，并损害合金室温性能。目前常用的感应石墨电阻加热定向凝固技术具有加热周期长，铸型温度高及铸型和合金熔体之间的反应剧烈等缺点。这些缺点会损害定向试样的室温性能，特别是室温塑性。因此，研发一种加热迅速，低反应的定向凝固技术显得尤为迫切。
发明内容
为解决合金定向凝固过程中铸型和合金熔体之间反应剧烈的问题，本发明提供了一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件。
本发明的技术方案：
一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，步骤如下：
步骤一、将金属原料按一定原子比进行熔炼，制成合金母锭待用；
步骤二、采用溶胶粘结剂法根据合金构件形状制备铸型待用；
步骤三、将步骤一得到的合金母锭切割后固定放置于步骤二制备的铸型内，将合金母锭和铸型放入定向凝固装置的电磁冷坩埚腔体内，其中铸型的下端浸入液态金属Ga-In冷却液中；
步骤四、将定向凝固装置抽真空后返充氩气；
步骤五、对电磁冷坩埚内的合金母锭进行电磁感应加热，使合金母锭熔化后保温一定时间；在一定温度下以一定速度向下抽拉铸型，当抽拉距离达到长度要求时，停止抽拉和加热，降温后即得定向凝固合金构件。
进一步的，步骤一所述熔炼采用电磁冷坩埚感应熔炼炉进行，具体步骤如下：
(一)按一定原子比准备如下金属原料：质量纯度均为99.99wt.％的高纯Ti和Al，质量纯度为99.98wt.％的纯Cr和Nb质量浓度为60wt.％的Al–Nb中间合金；
(二)将准备好的金属原料采用一层Ti、一层Al交替铺料，同时Al–Nb中间合金和Cr持续散落的方式放入冷坩埚，重复2～3次直至将所有原料全部加入冷坩埚内，关闭炉门抽真空至1Pa以下，开始加热使金属原料熔化，待物料完全熔化后继续加热使熔体保持过热状态5min以促进物料均匀混合，关闭电源使熔体冷却，得到合金母锭。
进一步的，所述金属原料的原子比为Ti–45Al–2Cr–2Nb。
进一步的，步骤二所述溶胶粘结剂法，具体步骤如下：
(1)模具制备：根据定向凝固构件形状制备内腔与定向凝固构件形状一致的铝合金模具，利用该模具浇注蜡模；
(2)溶胶配制：将钇溶胶与Y2O3细粉以质量比1:1.5配比混合在一起，搅拌至成为白色均匀胶体停止；
(3)面层制备：采用机械和人工法将一层钇溶胶、一层面层Y2O3粉均匀涂在蜡模外表面，在一定温度和湿度下进行干燥，晾干后重复上述步骤10次；
(4)背层添加：面层稳定干燥后，采用机械和人工法将一层钇溶胶、一层背层Y2O3粗粉均匀涂在面层外表面，在一定温度和湿度下进行干燥，晾干后重复上述步骤5次；
(5)脱蜡：将干燥炉的温度升至350～400℃，然后将所制备的铸型放置于干燥炉腔体内，保温3～5h至壳体内蜡模全部消失，取出；
(6)烧结：将脱蜡后铸型放置于高温烧结炉，以固定升温速率20℃/min升至800℃后保温1h，再升至1200℃并保温1h，最后升至1600℃保温3h后随炉冷却，得到铸型。
进一步的，步骤(2)所述Y2O3细粉的粒径为260～325目；步骤(3)所述面层Y2O3粉的粒径为60～100目；步骤(4)所述背层Y2O3粗粉的粒径为40～80目。
进一步的，步骤(3)所述面层的干燥温度为20～25℃，干燥湿度为60～80％；步骤(4)所述背层的干燥温度为20～25℃，干燥湿度为30～60％。
进一步的，步骤四所述定向凝固装置抽真空的真空度为0.05～1Pa，返充氩气气压为300Pa。
进一步的，步骤五所述温度为1900～2100K。
进一步的，步骤五所述抽拉速度为0.6～1.2mm/min。
本发明所述的用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法制备的TiAl基合金构件。
本发明的有益效果：
本发明采用电磁冷坩埚感应加热复合陶瓷铸型内铸件的新型定向凝固工艺，在满足合金构件形状要求的同时，不仅能降低铸型与高活性TiAl基合金熔体之间的反应，减少铸型对合金构件造成的污染；还可以缩短合金过渡区长度，细化合金的柱状晶和片层结构，改善合金构件的显微组织，显著提升TiAl基合金构件的力学性能。
本发明制备方法制备的TiAl基合金具有优异的力学性能，其断裂韧性值在15.7～22.7MPa·m1/2，拉伸伸长率最大达1.10％、拉伸强度最大达595MPa。
附图说明
图1为实施例9定向凝固过程中铸型的温度场分布计算结果；
图2为对比例1定向凝固过程中铸型的温度场分布计算结果；
图3为实施例9和对比例1定向凝固过程中TiAl合金试样的升温曲线；
图4为实施例9定向凝固方法形成的铸型与熔体间的界面形貌图片；
图5为对比例1定向凝固方法形成的铸型与熔体间的界面形貌图片；
图6为实施例9和对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的宏观组织图片；其中(a)为对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的横截面；(b)为对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的横截面纵剖面；(c)为实施例9制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的横截面；(d)为实施例9制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的纵剖面；图中箭头所示为合金生长方向，标号为1的区域均为过渡区；标号为2的区域均为稳定生长区；
图7为实施例9制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的典型微观组织图片；
图8为对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的典型微观组织图片；
图9为实施例9和对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件中Y2O3颗粒含量和O元素增加量统计结果对比图；
图10为实施例9制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的片层结构图片；
图11为对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的片层结构图片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，步骤如下：
步骤一、将金属原料按一定原子比进行熔炼，制成合金母锭待用；
步骤二、采用溶胶粘结剂法根据合金构件形状制备铸型待用；
步骤三、将步骤一得到的合金母锭切割后固定放置于步骤二制备的铸型内，将合金母锭和铸型放入定向凝固装置的电磁冷坩埚腔体内，其中铸型的下端浸入液态金属Ga-In冷却液中；
步骤四、将定向凝固装置抽真空后返充氩气；
步骤五、对电磁冷坩埚内的合金母锭进行电磁感应加热，使合金母锭熔化后保温一定时间；在一定温度下以一定速度向下抽拉铸型，当抽拉距离达到长度要求时，停止抽拉和加热，降温后即得定向凝固合金构件。
实施例2
一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，步骤如下：
步骤一、采用电磁冷坩埚感应熔炼炉进行合金母锭的制备，具体步骤如下：
(一)按原子比Ti–45Al–2Cr–2Nb准备如下金属原料：质量纯度均为99.99wt.％的高纯Ti和Al，质量纯度为99.98wt.％的纯Cr和Nb质量浓度为60wt.％的Al–Nb中间合金；
(二)将准备好的金属原料采用一层Ti、一层Al交替铺料，同时Al–Nb中间合金和Cr持续散落的方式放入冷坩埚，重复2～3次直至将所有原料全部加入冷坩埚内，关闭炉门抽真空至1Pa以下，开始加热使金属原料熔化，待物料完全熔化后继续加热使熔体保持过热状态5min以促进物料均匀混合，关闭电源使熔体冷却，得到合金母锭待用。
步骤二、采用溶胶粘结剂法根据凝固构件形状制备铸型待用；
步骤三、将步骤一得到的合金母锭切割后固定放置于步骤二制备的铸型内，将合金母锭和铸型放入定向凝固装置的电磁冷坩埚腔体内，其中铸型的下端浸入液态金属Ga-In冷却液中；
步骤四、将定向凝固装置抽真空后返充氩气；
步骤五、对电磁冷坩埚内的合金母锭进行电磁感应加热，使合金母锭熔化后保温一定时间；在一定温度下以一定速度向下抽拉铸型，当抽拉距离达到长度要求时，停止抽拉和加热，降温后即得定向凝固合金构件。
实施例3
一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，步骤如下：
步骤一、采用电磁冷坩埚感应熔炼炉进行合金母锭的制备，具体步骤如下：
(一)按原子比Ti–45Al–2Cr–2Nb准备如下金属原料：质量纯度均为99.99wt.％的高纯Ti和Al，质量纯度为99.98wt.％的纯Cr和Nb质量浓度为60wt.％的Al–Nb中间合金；
(二)将准备好的金属原料采用一层Ti、一层Al交替铺料，同时Al–Nb中间合金和Cr持续散落的方式放入冷坩埚，重复2～3次直至将所有原料全部加入冷坩埚内，关闭炉门抽真空至1Pa以下，开始加热使金属原料熔化，待物料完全熔化后继续加热使熔体保持过热状态5min以促进物料均匀混合，关闭电源使熔体冷却，得到合金母锭待用。
步骤二、采用溶胶粘结剂法根据凝固构件形状制备铸型；
具体步骤如下：
(1)模具制备：根据定向凝固构件形状制备内腔与定向凝固构件形状一致的铝模具，利用该模具浇注蜡模；
(2)溶胶配制：将钇溶胶与Y2O3细粉以质量比1:1.5配比混合在一起，所述Y2O3细粉的粒径为260～325目，搅拌至成为白色均匀胶体停止；
(3)面层制备：采用机械和人工法将一层钇溶胶、一层面层Y2O3粉均匀涂在蜡模外表面，所述Y2O3细粉的粒径为260～325目；在温度20～25℃，湿度60～80％的条件下进行干燥，晾干后重复上述步骤10次；
(4)背层添加：面层架构稳定干燥后，采用机械和人工法将一层钇溶胶、一层背层Y2O3粗粉均匀涂在面层外表面，所述背层Y2O3粗粉的粒径为40～80目，在温度20～25℃，湿度30～60％的条件下进行干燥，晾干后重复上述步骤5次；
(5)脱蜡：将干燥炉的温度升至350～400℃，然后将所制备的铸型放置于干燥炉腔体内，保温3～5h至壳体内蜡模全部消失，取出；
(6)烧结：将脱蜡后铸型放置于高温烧结炉，以固定升温速率20℃/min升至800℃后保温1h，再升至1200℃并保温1h，最后升至1600℃保温3h后随炉冷却，得到铸型待用。
步骤三、将步骤一得到的合金母锭切割后固定放置于步骤二制备的铸型内，将合金母锭和铸型放入定向凝固装置的电磁冷坩埚腔体内，其中铸型的下端浸入液态金属Ga-In冷却液中；
步骤四、将定向凝固装置抽真空后返充氩气；
步骤五、对电磁冷坩埚内的合金母锭进行电磁感应加热，使合金母锭熔化后保温一定时间；在一定温度下以一定速度向下抽拉铸型，当抽拉距离达到长度要求时，停止抽拉和加热，降温后即得定向凝固合金构件。
实施例4
一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，步骤如下：
步骤一、采用电磁冷坩埚感应熔炼炉进行合金母锭的制备，具体步骤如下：
(一)按原子比Ti–45Al–2Cr–2Nb准备如下金属原料：质量纯度均为99.99wt.％的高纯Ti和Al，质量纯度为99.98wt.％的纯Cr和Nb质量浓度为60wt.％的Al–Nb中间合金；
(二)将准备好的金属原料采用一层Ti、一层Al交替铺料，同时Al–Nb中间合金和Cr持续散落的方式放入冷坩埚，重复2～3次直至将所有原料全部加入冷坩埚内，关闭炉门抽真空至1Pa以下，开始加热使金属原料熔化，待物料完全熔化后继续加热使熔体保持过热状态5min以促进物料均匀混合，关闭电源使熔体冷却，得到合金母锭待用。
步骤二、采用溶胶粘结剂法根据凝固构件形状制备铸型；
具体步骤如下：
(1)模具制备：根据定向凝固构件形状制备内腔与定向凝固构件形状一致的铝模具，利用该模具浇注蜡模；
(2)溶胶配制：将钇溶胶与Y2O3细粉以质量比1:1.5配比混合在一起，所述Y2O3细粉的粒径为260～325目，搅拌至成为白色均匀胶体停止；
(3)面层制备：采用机械和人工法将一层钇溶胶、一层面层Y2O3粉均匀涂在蜡模外表面，所述Y2O3细粉的粒径为260～325目；在温度20～25℃，湿度60～80％的条件下进行干燥，晾干后重复上述步骤10次；
(4)背层添加：面层架构稳定干燥后，采用机械和人工法将一层钇溶胶、一层背层Y2O3粗粉均匀涂在面层外表面，所述背层Y2O3粗粉的粒径为40～80目，在温度20～25℃，湿度30～60％的条件下进行干燥，晾干后重复上述步骤5次；
(5)脱蜡：将干燥炉的温度升至350～400℃，然后将所制备的铸型放置于干燥炉腔体内，保温3～5h至壳体内蜡模全部消失，取出；
(6)烧结：将脱蜡后铸型放置于高温烧结炉，以固定升温速率20℃/min升至800℃后保温1h，再升至1200℃并保温1h，最后升至1600℃保温3h后随炉冷却，得到铸型待用。
步骤三、将步骤一得到的合金母锭切割后固定放置于步骤二制备的铸型内，将合金母锭和铸型放入定向凝固装置的电磁冷坩埚腔体内，其中铸型的下端浸入液态金属Ga-In冷却液中；
步骤四、将定向凝固装置抽真空至真空度为0.05～1Pa，然后返充氩气至300Pa；
步骤五、对电磁冷坩埚内的合金母锭进行电磁感应加热，使合金母锭熔化后保温2min；在1900～2100K温度下以0.6～1.2mm/min的速度向下抽拉铸型，当抽拉距离达到长度要求时，停止抽拉和加热，降温后即得Ti–45Al–2Cr–2Nb定向凝固合金构件；所述定向凝固合金构件为圆柱形、椭圆柱形或板状。
实施例5
本实施例与实施例4的区别仅在于，本实施例步骤五是在1825K温度下以0.6mm/min的速度向下抽拉铸型。
实施例6
本实施例与实施例4的区别仅在于，本实施例步骤五是在1923K温度下以0.8mm/min的速度向下抽拉铸型。
实施例7
本实施例与实施例4的区别仅在于，本实施例步骤五是在2030K温度下以1.0mm/min的速度向下抽拉铸型。
实施例8
本实施例与实施例4的区别仅在于，本实施例步骤五是在2125K温度下以1.2mm/min的速度向下抽拉铸型。
实施例9
本实施例与实施例4的区别仅在于，本实施例步骤五是在1923K温度下以1.0mm/min的速度向下抽拉铸型。
对比例1
采用传统感应石墨电阻加热的定向凝固方法制备TiAl基合金：
本对比例所用合金母锭的制备方法与实施例4步骤一相同，将合金母锭切割并与Y2O3陶瓷铸型固定后置于石墨加热套内，其中铸件的下端浸入液态金属Ga-In冷却液中；将定向凝固装置抽真空至真空度为0.05～1Pa，然后返充氩气至300Pa；石墨辐射通过感应方式直接被加热至2000K左右，然后随着保温过程的进行石墨辐射作为热源，以辐射加热的方式将内部的合金母锭及陶瓷铸型加热，使合金母锭熔化后保温一定时间；在1923K温度下以1.0mm/min的速度向下抽拉铸件，当抽拉距离达到长度要求时，停止抽拉和加热，降温后即得合金构件对比构件。
一、对比实施例9和对比例1两种定向凝固方法的温度场特征
采用ANSYS有限元分析方法对定向凝固过程中铸型温度分布进行了计算分析，其中实施例9定向凝固方法分析结果如图1所示，两侧为铸型温度，中间为熔体温度，铸型整体处于较低的温度，且铸型温度是由内向外逐渐降低的：铸型的最高温度不会超过熔体的温度，存在于熔体接触的内腔表面，最低温度(约为600℃)存在靠近冷坩埚的内腔一侧的外径表面。
对比例1传统石墨辐射加热定向凝固方法的分析结果如图2所示，两侧为铸型温度，中间为熔体温度，该加热方式下铸型温度较高，铸型温度是由内向外逐渐增加：铸型的最高温度(大于熔体温度300℃)出现在靠近石墨辐射加热体的外表面，最低温度(接近熔体温度)存在于合金熔体接触一面。
在定向凝固过程中铸型的空隙结构会导致合金熔体进入铸型内部，加剧铸型与TiAl合金熔体的相互反应，且铸型的温度越高反应越剧烈，因此本发明采用电磁冷坩埚感应加热方式的定向凝固过程中，铸型温度低于熔体温度能够在很大程度上缓解铸型与合金熔体之间的相互反应。
图3为实施例9和对比例1定向凝固过程中TiAl合金试样的升温曲线；通过对比可知，在电磁冷坩埚感应加热下试样升温速度极快，然而在石墨辐射加热方式下试样升温较为缓慢。
表1
Figure GDA0002555341780000081
表1所示为两种加热方式的温度梯度以及升温过程中合金处于熔体状态的时间。相同熔体温度条件下，采用电磁冷坩埚感应加热方式的定向过程具有大的温度梯度和高的升温速率。因此，无论是在加热熔化过程还是降温凝固过程中，本发明提供的加热方式均会缩短定向凝固过程中合金处于熔体状态的时间，从而缓解铸型与合金熔体之间的相互反应。
图4和图5分别为实施例9和对比例1不同定向凝固方法形成的铸型与熔体间的界面形貌图片；其中本发明采用电磁冷坩埚感应加热定向凝固的反应厚度仅为对比例1感应石墨电阻加热定向凝固反应层厚度的一半。
二、对比实施例9和对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的组织特征
图6为实施例9和对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的宏观组织图片；其中(a)为对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的横截面；(b)为对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的横截面纵剖面；(c)为实施例9制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的横截面；(d)为实施例9制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的纵剖面；图中箭头所示为合金生长方向，标号为1的区域均为过渡区；标号为2的区域均为稳定生长区。
由图6可知，实施例9采用电磁冷坩埚所制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的过渡区长度由对比例1的10mm缩短至2mm；而且生长界面由平直界面转变为下凹界面；稳定生长区的柱状晶宽度由约2mm降低至1mm；且稳定生长区柱状晶的生长呈连续性。实施例9制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的宏观组织明显优于对比例1。
本发明提供的加热方式的定向凝固系统中大的感应流体流动和温度梯度均会促进合金成分均匀化，加速晶体生长过程中非择优生长的过程，从而缩短过渡区的长度。采用电磁冷坩埚感应加热方式的定向凝固系统中存在侧向散热，这就促使下凹界面和向轴心生长的柱状晶等宏观组织。而外加流场的细化以及大的温度梯度可以促使组织结构更细小。
图7和图8分别为实施例9和对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的典型微观组织图片；对比图7和图8可知，实施例9和对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的室温典型微观组织相似，都是由α2/γ片层、B2相和Y2O3颗粒组成。但实施例9制备的合金基体内Y2O3颗粒的尺寸均小于对比例1。
图9为实施例9和对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件中Y2O3颗粒含量和O元素增加量统计结果对比图；由图9柱形图对比可知，实施例9的定向凝固方法与对比例1相比能够极大降低定向凝固构件中Y2O3颗粒含量和O含量的增加量。
Y2O3颗粒是以物理侵蚀和溶解再结晶两种模式进入TiAl基合金基体，但是以物理侵蚀为主。在合金被加热熔化阶段，陶瓷铸型与TiAl基合金熔体之间物理侵蚀作用导致Y2O3颗粒被引入熔体，少量会发生溶解。而本发明电磁冷坩埚感应加热的方式会缩短合金处于熔体状态的时间，弱化铸型和熔体之间的反应，从而降低定向凝固构件中的Y2O3颗粒含量和O含量的增加量，减少了铸型对合金造成的污染。
图10和图11分别为实施例9和对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的片层结构图片；由图10和图11中两种合金的片层结构对比可知，实施例9定向凝固方法可以细化定向凝固构件的片层结构，实施例9的片层间距约0.3μm，小于采用感应石墨电阻加热所制备的构件的0.5μm。而TiAl基合金的片层间距对其力学性能存在着很大的影响，TiAl基合金的片层间距越小，其力学性能越好。本发明提供的电磁冷坩埚感应加热方式即使在低的加热功率下仍会产生较大的温度梯度，从而使得所制备的构件获得较好的定向凝固组织；从而细化片层，增加小角度片层的比例。
综上，本发明提供的定向凝固方法不仅可以制备出具有定向生长组织的TiAl基合金构件，还可以降低铸型对TiAl基合金的污染以及细化合金的片层结构。
三、对比实施例9和对比例1制备的Ti–45Al–2Cr–2Nb合金构件的力学性能
由于本发明提供的定向凝固方法通过加热方式和工艺参数的调整降低了铸型对TiAl基合金的污染并改善了合金的组织，尤其是细化了合金的片层结构，因此使得本发明制备的合金具有更优异的力学性能，其中定向凝固构件的断裂韧性值在15.7～22.7MPa·m1/2，而感应石墨电阻加热方法制备的定向凝固构件的断裂韧性最大仅为12.7MPa·m1/2；本发明制备的定向凝固构件的拉伸伸长率最大达1.10％、拉伸强度最大达595MPa，而传统感应石墨电阻加热方法的拉伸伸长率最大达0.86％、拉伸强度最大达433MPa。

Claims (7)

1.一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，其特征在于所述方法步骤如下：
步骤一、将金属原料按原子比Ti–45Al–2Cr–2Nb进行熔炼，制成合金母锭待用；
步骤二、采用溶胶粘结剂法根据合金构件形状制备铸型待用；
步骤三、将步骤一得到的合金母锭切割后固定放置于步骤二制备的铸型内，将合金母锭和铸型放入定向凝固装置的电磁冷坩埚腔体内，其中铸型的下端浸入液态金属Ga-In冷却液中；
步骤四、将定向凝固装置抽真空后返充氩气；
步骤五、对电磁冷坩埚内的合金母锭进行电磁感应加热，使合金母锭熔化后保温2min；在1900～2100K温度下以0.6～1.2mm/min的速度向下抽拉铸型，当抽拉距离达到长度要求时，停止抽拉和加热，降温后即得定向凝固合金构件。
2.根据权利要求1所述一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，其特征在于步骤一所述熔炼采用电磁冷坩埚感应熔炼炉进行，具体步骤如下：
(一)按一定原子比准备如下金属原料：质量纯度均为99.99wt.％的高纯Ti和Al，质量纯度为99.98wt.％的纯Cr和Nb质量浓度为60wt.％的Al–Nb中间合金；
(二)将准备好的金属原料采用一层Ti、一层Al交替铺料，同时Al–Nb中间合金和Cr持续散落的方式放入冷坩埚，重复2～3次直至将所有原料全部加入冷坩埚内，关闭炉门抽真空至1Pa以下，开始加热使金属原料熔化，待物料完全熔化后继续加热使熔体保持过热状态5min以促进物料均匀混合，关闭电源使熔体冷却，得到合金母锭。
3.根据权利要求1所述一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，其特征在于步骤二所述溶胶粘结剂法，具体步骤如下：
(1)模具制备：根据定向凝固构件形状制备内腔与定向凝固构件形状一致的铝模具，利用该模具浇注蜡模；
(2)溶胶配制：将钇溶胶与粒径为260～325目的Y2O3细粉以质量比1:1.5配比混合在一起，搅拌至成为白色均匀溶胶停止；
(3)面层制备：采用机械和人工法将一层溶胶、一层面层Y2O3粉均匀涂在蜡模外表面，在一定温度和湿度下进行干燥，晾干后重复涂溶胶、Y2O3粉、干燥和晾干的步骤10次；
(4)背层添加：面层稳定干燥后，采用机械和人工法将一层溶胶、一层粒径为40～80目的背层Y2O3粗粉均匀涂在面层外表面，在一定温度和湿度下进行干燥，晾干后重复涂溶胶、Y2O3粗粉、干燥和晾干的步骤5次；
(5)脱蜡：将干燥炉的温度升至350～400℃，然后将所制备的铸型放置于干燥炉腔体内，保温3～5h至壳体内蜡模全部消失，取出；
(6)烧结：将脱蜡后铸型放置于高温烧结炉，以固定升温速率20℃/min升至800℃后保温1h，再升至1200℃并保温1h，最后升至1600℃保温3h后随炉冷却，得到铸型。
4.根据权利要求3所述一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，其特征在于步骤(3)所述面层Y2O3粉的粒径为60～100目。
5.根据权利要求3或4所述一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，其特征在于步骤(3)所述面层的干燥温度为20～25℃，干燥湿度为60～80％；步骤(4)所述背层的干燥温度为20～25℃，干燥湿度为30～60％。
6.根据权利要求1所述一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，其特征在于步骤四所述定向凝固装置抽真空的真空度为0.05～1Pa，返充氩气气压为300Pa。
7.一种由权利要求1-6任一所述的用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法制备的TiAl基合金构件。
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