CN1584080A - 含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料及其制备方法 - Google Patents

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陈玉勇
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Abstract

含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料及其制备方法，它涉及一种金属间化合物材料及其制备工艺。本发明的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料，由下述组分按照原子百分比at.％的配比组成：Ti40～60％、Al38～50％、Y0.02～1％、合金元素0～15％。它按照下述步骤进行制备：a、将含有稀土元素、Ti和Al的金属铸型加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中；b、熔炼前，将金属铸型预热，抽真空；c、待合金完全熔化后保温，使熔体的成分混合均匀；d、然后将熔体浇铸到金属铸型中，形成含有稀土Y的TiAl金属间化合物铸锭。本发明在合金熔炼的过程中添加稀土Y，起到细化晶粒尺寸和层片间距，进而改善材料的性能的作用，而且工艺过程比较简单。

Description

含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属间化合物材料及其制备工艺。
背景技术：
TiAl金属间化合物由于密度低、比强度高、抗氧化性好等优点，在航天、航空以及汽车等领域越来越受到重视。但是由于室温塑性和热加工能力差，使该材料成为工程应用的主要障碍。国内外科学家已在TiAl金属间化合物的组织、塑性和变形方面做了大量的研究。研究表明，细化显微组织(包括晶粒尺寸和层片间距细化)是提高TiAl金属间化合物力学性能和热加工能力的重要手段。然而关于含有稀土的TiAl金属间化合物材料的制备以及稀土Y在TiAl合金中的物理冶金行业尚未见报道。目前，常用的细化TiAl金属间化合物显微组织的方法有：热处理以及热机械处理、机械合金化、快速凝固等。
发明内容：
本发明的目的是提供一种通过在合金熔炼的过程中添加稀土Y、起到细化晶粒尺寸和层片间距、进而改善材料的性能的作用的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料及其制备方法。本发明的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料由下述组分按照原子百分比at.％的配比组成：Ti40～60％、Al38～50％、Y0.02～1％、合金元素0～15％。含有稀土Y的TiAl金属间化合物按照下述步骤进行制备：a、将含有稀土元素Ti和Al的金属铸型加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中；b、熔炼前，将金属铸型在200～300℃的温度下预热，设备抽真空，真空度为3.0～4.0×10-3mbar；c、待合金完全熔化后保温6～10min，使熔体的成分混合均匀，熔炼时间为25～35min；d、然后将熔体浇铸到金属铸型中，形成含有稀土Y的TiAl金属间化合物铸锭，并随炉冷却。本发明以海绵钛、高纯铝、Al-Y中间合金以及其它添加的合金元素(比如：Nb、V、W、Cr、Si等元素的一种或几种)为原料，采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉熔炼制备出含有适量稀土Y的TiAl金属间化合物材料，其中稀土Y一般通过Y-Al中间合金的形式添加到TiAl金属间化合物熔体中，通过实验确定稀土Y的最佳加入量范围，在材料凝固过程中，稀土Y在凝固过程中富集在晶界处，阻碍和限制了晶粒的长大，起到细化晶粒尺寸和层片间距的作用，得到的TiAl金属间化合物材料显微组织非常细小，稀土Y形成的富稀土相主要呈不连续网状分布在晶界处，晶内只有少量的稀土相，随着稀土Y含量增加，晶界及晶内富稀土相含量呈增加趋势，研究表明，稀土Y显著细化TiAl金属间化合物的晶粒组织，并且细化了TiAl金属间化合物中α2/γ层片间距；采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉熔炼，工艺过程比较简单。
具体实施方式：
具体实施方式一：本实施方式的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料由下述组分按照原子百分比at.％的配比组成：Ti40～60％、Al38～50％、Y0.02～1％、合金元素0～15％；所述合金元素是Nb、V、W、Cr、Si元素的一种或几种的混合物。
具体实施方式二：本实施方式的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料为Ti-47Al-0.3Y，其中各元素的含量为：Ti52.7at.％、Al47at.％、Y0.3at.％。
具体实施方式三：本实施方式的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料为Ti-43Al-9V-0.3Y，其中各元素的含量为：Ti47.7at.％、Al43at.％、Y0.3at.％、V9at.％。
具体实施方式四：本实施方式的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料按照下述步骤进行制备：a、将含有稀土元素、Ti和Al的金属铸型加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中；b、熔炼前，将金属铸型在200～300℃的温度下预热，设备抽真空，真空度为3.0～4.0×10-3mbar；c、待合金完全熔化后保温6～10min，使熔体的成分混合均匀，熔炼时间为25～35min；d、然后将熔体浇铸到金属铸型中，形成含有稀土Y的TiAl金属间化合物铸锭，铸锭尺寸为Φ100×100mm3，并随炉冷却。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点在于步骤c、待合金完全熔化后保温8min，使熔体的成分混合均匀，熔炼时间为25～35min。其它制备步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料按照下述步骤进行制备：a、将Al-Y、Al-V和Ti加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，其中各元素的含量为：Al43at.％、Y0.3at.％、V9at.％、Ti47.7at.％；b、熔炼前，将金属铸型在200～300℃的温度下预热，设备抽真空，真空度为3.6×10-3mbar；c、待合金完全熔化后保温8min，使熔体的成分混合均匀，熔炼时间为25～35min；d、然后将熔体浇铸到金属铸型中，形成含有稀土Y的TiAl金属间化合物铸锭，铸锭尺寸为Φ100×100mm3，并随炉冷却，得到Ti-43Al-9V-0.3Y化合物。采用电火花线切割方法从铸锭上切取Ti-43Al-9V-0.3Y试样，金相试样经金相砂纸从200目磨到1200目，再用万能抛光机精抛(抛光液选择二氧化铬悬浮液)，透射电镜试样为0.25mm的薄片，用砂纸磨到20μm厚，再采用离子减薄技术制备，利用金相显微镜观察Ti-43Al-9V-0.3Y的显微组织发现，TiAl合金的组织转变为细小的等轴晶粒，晶粒尺寸达到了10～300μm(不添加稀土Y的铸态TiAl金属间化合物材料的晶粒尺寸一般在1000～2500μm之间)；利用X射线衍射仪(XRD)进行分析发现，合金中出现了富稀土相；利用扫描电子显微镜和电子探针进行分析发现，富稀土相主要以颗粒状分布在晶内以及以不连续的网络状富集在晶界，并且晶界是富稀土相的主要富集区域；利用透射电子显微镜分析发现，TiAl合计层片间距可以达到0.2～1.0μm(不添加稀土Y的铸态TiAl金属间化合物材料的层片间距一般在1.0～3.0μm之间)。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四的不同点在于步骤a、将Al-Y、Al和Ti加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，其中各元素的含量为：Al47at.％、Y0.3at.％、Ti52.7at.％。其它制备步骤与具体实施方式四相同。

Claims (8)

1、含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料，其特征在于它由下述组分按照原子百分比at.％的配比组成：Ti40～60％、Al38～50％、Y0.02～1％、合金元素0～15％。
2、根据权利要求1所述的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料，其特征在于合金元素是Nb、V、W、Cr、Si元素的一种或几种的混合物。
3、根据权利要求1所述的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料，其特征在于该化合物为Ti-47Al-0.3Y，其中各元素的含量为：Ti52.7at.％、Al47at.％、Y0.3at.％。
4、根据权利要求1所述的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料，其特征在于该化合物为Ti-43Al-9V-0.3Y，其中各元素的含量为：Ti47.7at.％、Al43at.％、Y0.3at.％、V9at.％。
5、含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料的制备方法，其特征在于它按照下述步骤进行制备：a、将含有稀土元素、Ti和Al的金属铸型加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中；b、熔炼前，将金属铸型在200～300℃的温度下预热，设备抽真空，真空度为3.0～4.0×10-3mbar；c、待合金完全熔化后保温6～10min，使熔体的成分混合均匀，熔炼时间为25～35min；d、然后将熔体浇铸到金属铸型中，形成含有稀土Y的TiAl金属间化合物铸锭，并随炉冷却。
6、根据权利要求5所述的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料的制备方法，其特征在于步骤c、待合金完全熔化后保温8min，使熔体的成分混合均匀，熔炼时间为25～35min。
7、根据权利要求5所述的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料的制备方法，其特征在于它按照下述步骤进行制备：a、将Al-Y、Al-V和Ti加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，其中各元素的含量为：Al43at.％、Y0.3at.％、V 9at..％、Ti47.7at.％；b、熔炼前，将金属铸型在200～300℃的温度下预热，设备抽真空，真空度为3.6×10-3mbar；c、待合金完全熔化后保温8min，使熔体的成分混合均匀，熔炼时间为25～35min；d、然后将熔体浇铸到金属铸型中，形成含有稀土Y的TiAl金属间化合物铸锭，铸锭尺寸为Φ100×100mm3，并随炉冷却，得到Ti-43Al-9V-0.3Y化合物。
8、根据权利要求5所述的含有稀土Y的TiAl金属间化合物材料的制备方法，其特征在于步骤a、将Al-Y、Al和Ti加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，其中各元素的含量为：Al47at.％、Y0.3at.％、Ti52.7at.％。
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