CN113981297A - 铸造用Ti2AlNb基合金及其制备方法和铸件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及Ti₂AlNb基合金技术领域，尤其是涉及铸造用Ti₂AlNb基合金及其制备方法和铸件。本发明的铸造用Ti₂AlNb基合金，由按质量百分比计的如下组分组成：Al 10.5%~11.3%、Nb 42.0%~43.0%、Si 0.05%~0.15%、余量为Ti和不可避免的杂质。本发明通过对Ti₂AlNb基合金成分以及配比关系进行合理设计，通过添加微量的Si元素，使Ti₂AlNb基合金具有良好的铸造性能，适用于铸造工艺，并且兼具良好的强度和塑性，可以满足Ti₂AlNb基合金在使用过程中对力学性能的要求。

Description

铸造用Ti2AlNb基合金及其制备方法和铸件

技术领域

本发明涉及Ti₂AlNb基合金技术领域，尤其是涉及铸造用Ti₂AlNb基合金及其制备方法和铸件。

背景技术

近年来，随着材料科学的进一步发展，特别是航空航天等领域的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。Ti-Al系合金以其优异的综合性能成为航空航天领域的重要材料之一。Ti₂AlNb基合金作为Ti-Al系合金中的一个重要类别，是一种轻质耐高温结构材料，具有高比强度、高断裂韧性、较好的抗氧化性、优良的耐热性和阻燃性能等优点，因而受到人们的广泛关注。

铸造是将液态金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法。铸造工序可分为铸造金属原材料准备、铸型准备、铸件浇注和铸件后处理，后处理包括热等静压用于闭合铸造缺陷和热处理用于调控组织和性能。采用铸造工序具有生产成本低廉、可以生产形状复杂的零件的优点，可用于制备航空航天发动机用大尺寸机匣等零部件。

但现有的Ti₂AlNb基合金成分采用铸造工艺制得的Ti₂AlNb基合金制品充型完整难度较大，存在晶粒粗大、偏析严重、塑性较差等问题，极大的限制了合金的应用。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种铸造用Ti₂AlNb基合金，该合金具有优异的铸造性能。

本发明的第二目的在于提供一种上述铸造用Ti₂AlNb基合金的制备方法。

本发明的第三目的在于提供一种合金铸件，主要由上述铸造用Ti₂AlNb基合金铸造得到。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种铸造用Ti₂AlNb基合金，由按质量百分比计的如下组分组成：

Al 10.5%~11.3%、Nb 42.0%~43.0%、Si 0.05%~0.15%、余量为Ti和不可避免的杂质。

本发明还提供了铸造用Ti₂AlNb基合金的制备方法，包括如下步骤：

（A）按比例配料后，采用悬浮熔炼的方法制备得到Ti₂AlNb基合金铸锭；

（B）将所述Ti₂AlNb基合金铸锭重熔后浇注到铸型中，经热等静压和热处理后得到铸造用Ti₂AlNb基合金。

本发明还提供了一种合金铸件，主要由上述铸造用Ti₂AlNb基合金铸造得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种铸造用Ti₂AlNb基合金，本发明通过综合考虑各元素的配比、微量元素的添加与合金铸造性能之间的关系，合理设计合金的成分，在Ti₂AlNb基合金体系中添加微量的Si元素，降低了Ti₂AlNb基合金的熔点、熔体粘度、表面张力等，综合提高了Ti₂AlNb基合金的铸造性能，使其在具有优异的铸造性能的同时兼具良好的强度和塑性，可以达到Ti₂AlNb基合金使用过程中对力学性能的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制得的铸造用Ti₂AlNb基合金的晶界附近的微观组织的扫描电镜图片。

图2为本发明实施例1制得的铸造用Ti₂AlNb基合金的晶粒的微观组织的扫描电镜图片。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种Ti₂AlNb基合金及其制备方法和应用进行具体说明。

本发明的一些实施方式中提供了一种铸造用Ti₂AlNb基合金，由按质量百分比计的如下组分组成：

Al 10.5%~11.3%、Nb 42.0%~43.0%、Si 0.05%~0.15%、余量为Ti和不可避免的杂质。

在本发明的一些具体实施方式中，Al的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为10.5%、10.6%、10.7%、10.8%、10.9%、11.0%、11.1%、11.2%和11.3%等等。

在本发明的一些具体实施方式中，Nb的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为42.0%、42.1%、42.2%、42.3%、42.4%、42.5%、42.6%、42.7%、42.8%、42.9%和43.0%等等。

在本发明的一些具体实施方式中，Si的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%、0.13%、0.14%和0.15%等等。

在本发明的一些具体实施方式中，Ti的质量百分数，典型但非限制性的，例如，可以为45.5%、45.6%、45.7%、45.8%、45.9%、46%、46.1%、46.2%、46.3%、46.4%、46.5%、46.6%、46.7%、46.8%、46.9%和47%、47.1%、47.2%、47.3%、47.4%和47.5%等等。

本发明通过在Ti₂AlNb基合金体系中添加微量的Si元素，提高了Ti₂AlNb基合金的铸造性能。Si元素的加入即降低了合金的熔点、密度、熔体的粘度、熔体的表面张力，更为突出的是可以改善熔体表面氧化情况，同时细化合金晶粒尺寸，以达到综合提高Ti₂AlNb基合金铸造性能的目的；同时，本发明在提高合金铸造性能基础上，能够保证合金的强度，改善合金的塑性，使其具有优异的综合性能。

粘度在熔体充型的最后时间对流动性的影响较大，在充型的最后阶段通道面积变窄或液流中出现固液两相混合时液体以层流形式向前充型，此时粘度降低对流动性具有明显的改善效果。

Si元素的加入可以降低合金体系的熔点，增加过热度，从而降低合金熔体的粘度，并且可以减少高温熔体表面形成氧化膜含量，从而降低金属熔体表面张力；此外，Si元素有利于细小等轴晶生长，也会降低熔体的表面张力。

本发明铸造用Ti₂AlNb基合金中Si的添加量为0.05wt%~0.15wt%，在此范围内对合金的铸造性能具有明显的改善作用。在Ti₂AlNb基合金体系中，当Si含量低于0.05wt.%时，对合金的铸造流动性不具有明显的改善作用，当Si含量高于0.15wt%，对合金的铸造流动性也不具有更大的改善作用，同时在固液两相区析出一次硅化物，由于一次硅化物尺寸较大且分布在晶界上，导致合金室温塑性明显降低。

为了得到铸造性能更加优异的铸造用Ti₂AlNb基合金，对各组分的含量进行了优化。

在本发明的一些实施方式中，Al的质量百分数为10.6%~11.0%。

在本发明的一些实施方式中，Nb的质量百分数为42.0%~42.8%。

在本发明的一些实施方式中，Si的质量百分数为0.08wt%~0.12wt%。

在本发明的一些实施方式中，调控Ti₂AlNb基合金铸造性能的方法，包括：在Ti₂AlNb基合金中添加Si；优选地，Si的加入量为0.05wt%~0.15wt%。

在本发明的一些实施方式中，铸造用Ti₂AlNb基合金主要由B2基体相和O相板条组成。

在本发明的一些实施方式中，铸造用Ti₂AlNb基合金中O相的体积分数为67%~73%。

本发明的铸造用Ti₂AlNb基合金的组织相包括：晶内连续B2基体上分布着尺寸呈正态分布的O相板条，其具有强化基体的作用，同时恰当比例的B2相基体起到协调变形的作用，使Ti₂AlNb基合金保持了较高的强度和塑性。

在本发明的一些实施方式中，铸造用Ti₂AlNb基合金中O相板条的尺寸为3.8~4.2μm。

在本发明的一些具体实施方式中，铸造用Ti₂AlNb基合金中Si元素处于固溶态，晶界上无大尺寸连续硅化物。

在本发明的一些实施方式中，铸造用Ti₂AlNb基合金的室温抗拉强度为920~935MPa。

在本发明的一些实施方式中，铸造用Ti₂AlNb基合金的室温延伸率为4.0%~5.5%。

本发明的一些实施方式中还提供了上述铸造用Ti₂AlNb基合金的制备方法，包括如下步骤：

（A）按比例配料后，采用悬浮熔炼的方法制备得到Ti₂AlNb基合金铸锭；

（B）将Ti₂AlNb基合金铸锭重熔后浇注到铸型中，经热等静压和热处理后得到铸造用Ti₂AlNb基合金。

本发明通过采用特定的成分以及配比的铸造用Ti₂AlNb基合金配料，在经熔炼、热等静压处理和热处理步骤后，能够制得具有较高强度和塑性的Ti₂AlNb基合金；该铸造用Ti₂AlNb基合金的晶粒尺寸＜300μm、组织组成为连续B2基体上分布着尺寸呈正态分布的O相板条，O相板条平均尺寸约为4μm，O相体积分数为70±3%，Si元素处于固溶态，晶界上无大尺寸连续硅化物。

在本发明的一些实施方式中，步骤（B）中，热等静压处理的条件包括：于1150~1170℃，130~150MPa下热等静压处理1.5~3h。

在本发明的一些实施方式中，步骤（B）中，热等静压处理的温度，典型但非限制性的，例如，可以为1150℃、1155℃、1560℃、1565℃和1170℃等等；热等静压处理的压力，典型但非限制性的，例如，可以为130MPa、135MPa、140MPa、145MPa和150MPa等等；热等静压处理的时间，典型但非限制性的，例如，可以为1.5h、2h、2.5h和3h等等。

在本发明的一些具体实施方式中，步骤（B）中，热等静压处理的条件包括：于1160℃，140MPa下热等静压处理2h。

在本发明的一些实施方式中，步骤（B）中，热处理的条件为：于970~990℃保温处理1.5~3h，炉冷。

在本发明的一些实施方式中，步骤（B）中，保温处理的温度，典型但非限制性的，例如，可以为970℃、975℃、980℃、985℃和990℃等等；保温处理的时间，典型但非限制性的，例如，可以为1.5h、2h、2.5h和3h等等。

在本发明的一些具体实施方式中，步骤（B）中，热处理的条件为：于980℃保温处理2h，炉冷。

在本发明的一些实施方式中还提供了一种合金铸件，主要由上述铸造用Ti₂AlNb基合金铸造得到。

实施例1

本实施例提供了铸造用Ti₂AlNb基合金的制备，制得的铸造用Ti₂AlNb基合金成分见表1。

表1

合金编号	合金成分-质量百分数（%）配
		1#	Al 10.9%、Nb 42.6%、Si 0.10%、余量Ti
2#	Al 10.9%、Nb 42.6%、Si 0.05%、余量Ti
		3#	Al 10.9 %、Nb 42.6%、Si 0.15%、余量Ti

具体地，上述铸造用Ti₂AlNb基合金的制备方法包括如下步骤：

将配好的海绵钛、纯铌屑、铝豆、AlSi中间合金等装入悬浮炉的水冷铜坩埚中，其中AlSi中间合金采用铝箔包裹后放在铜坩埚高度的中间部位，然后抽真空准备熔炼；当真空度≤3Pa后充氩气至5000Pa进行惰性气氛保护；由200kW开始，每50kW熔炼1分钟，升至500kW后熔炼2分钟，合金充分熔化且熔体稳定后逐级降功率，凝固冷却形成Ti₂AlNb基合金铸锭，然后将上述Ti₂AlNb基合金铸锭翻转后采用上述工艺进行第二次熔炼，待熔体稳定后浇注到铸型中，然后进行热等静压处理和热处理后得到Ti₂AlNb基合金；其中热等静压处理的条件为：于1160℃，140MPa下热等静压处理2h；热处理的条件为：于980℃保温处理2h，炉冷。

对比例1

对比例提供了其他Ti₂AlNb基合金的制备，制得的Ti₂AlNb基合金成分见表2。

表2

合金编号	合金成分-质量百分数（%）
		4#	Al 10.9%、Nb 42.6%、余量Ti
5#	Al 10.9%、Nb 42.6%、Si 0.2%、余量Ti
		6#	Al 10.9%、Nb 42.6%、Si 0.03%、余量Ti

上述Ti₂AlNb基合金的制备方法参考实施例1的制备方法。

试验例1

对实施例1中制得的Ti₂AlNb基合金（1#）进行电镜扫描测试，其晶界附近的微观组织的扫描电镜图片如图1所示；其晶粒的微观组织的扫描电镜图片如图2所示。

对实施例1和对比例1的合金（1#~6#）的晶粒尺寸进行金相显微镜测试，采用截线法得到晶粒尺寸；采用扫描电镜背散射模式观察拍照，按衬度区别进行相尺寸和含量统计得到O相的体积分数、O相板条尺寸，其结果如表3所示。

表3

合金编号	晶粒尺寸（μm）	O相体积分数（%）	O相板条尺寸（μm）
				1#	280	70	4
2#	295	73	4.3
				3#	250	68	3.8
4#	320	65	3.5
				5#	220	75	4.5
6#	310	66	3.7

经过组织观察，Ti₂AlNb基合金的平均晶粒尺寸＜300μm、组织组成为连续B2基体上分布着尺寸呈正态分布的O相板条，O相板条平均尺寸约为4μm，O相体积分数70±3%，Si元素处于固溶态，晶界上无大尺寸连续硅化物。

试验例2

对实施例1、对比例1中的Ti₂AlNb基合金（1#~6#）的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率和铸造用流动性充型长度进行测试，其结果记录至表4中。

其中，室温拉伸性能按照GB/T 228.1标准进行测试。流动性充型长度采用螺旋式流动性测试模型进行浇注试验，测试充型长度，Ti-10.9Al-42.6Nb合金（4#合金）的充型长度作为参照基础，得到1#~6#合金的铸造流动性改善效果。

表4

合金编号	抗拉强度（MPa）	屈服强度（MPa）	断后延伸率（%）	铸造用流动性改善效果
					1#	925	812	5.0	+23mm
2#	920	803	5.5	+15mm
					3#	935	825	4.0	+25mm
4#	909	787	3.6	-
					5#	874	778	2	+5mm
6#	915	796	3.8	+3mm

从表4可以看出，本发明实施例1中制得的Ti₂AlNb基合金的室温抗拉强度为920~935MPa，室温延伸率为4.0%~5.5%，同时具有良好的铸造流动性。

综上所述，本发明通过在Ti₂AlNb基合金体系中添加微量的Si，降低了合金的熔点、粘度和表面张力，并且可以减少高温熔体表面形成氧化膜含量，细化铸态晶粒，细小的晶粒阻碍了粗大树枝晶的竞争生长，从而综合提升了合金的铸造性能；经热等静压和热处理后，保持了铸造用形成的细小晶粒优势，使室温抗拉强度和室温延伸率得到明显的改善。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种铸造用Ti₂AlNb基合金，其特征在于，由按质量百分比计的如下组分组成：

Al 10.5%~11.3%、Nb 42.0%~43.0%、Si 0.05%~0.15%、余量为Ti和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铸造用Ti₂AlNb基合金，其特征在于，由按质量百分比计的如下组分组成：

Al 10.6%~11.0%、Nb 42.0%~42.8%、Si 0.08%~0.12%、余量为Ti和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的铸造用Ti₂AlNb基合金，其特征在于，所述铸造用Ti₂AlNb基合金主要由B2基体相和O相板条组成。

4.根据权利要求1所述的铸造用Ti₂AlNb基合金，其特征在于，所述铸造用Ti₂AlNb基合金中O相的体积分数为67%~73%。

5.根据权利要求3所述的铸造用Ti₂AlNb基合金，其特征在于，所述O相板条的尺寸为3.8~4.2μm。

6.根据权利要求1所述的铸造用Ti₂AlNb基合金，其特征在于，所述铸造用Ti₂AlNb基合金的室温抗拉强度为920~935MPa。

7.根据权利要求1所述的铸造用Ti₂AlNb基合金，其特征在于，所述铸造用Ti₂AlNb基合金的室温延伸率为4.0%~5.5%。

8.如权利要求1~7任一项所述的铸造用Ti₂AlNb基合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（A）按比例配料后，采用悬浮熔炼的方法制备得到Ti₂AlNb基合金铸锭；

（B）将所述Ti₂AlNb基合金铸锭重熔后浇注到铸型中，经热等静压处理和热处理后得到铸造用Ti₂AlNb基合金。

9.根据权利要求8所述的铸造用Ti₂AlNb基合金的制备方法，其特征在于，步骤（B）中，所述热等静压处理的条件为：于1150~1170℃，130~150MPa下热等静压处理1.5~3h；

和/或，步骤（B）中，所述热处理的条件为：于970~990℃保温处理1.5~3h，炉冷。

10.一种合金铸件，其特征在于，由权利要求1~7任一项所述的铸造用Ti₂AlNb基合金铸造得到。

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