一種定向TiAl基合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種定向TiAl基合金的制備方法。本發(fā)明TiAl基合金成分按原子百分比表示為Ti-(40-50)Al-aNb-bCr-cMo-dV-eMn，式中，a、b、c、d、e為原子百分比，a+b+c+d+e≤10，余量為Ti。制備上述柱狀晶TiAl基合金，包括以下步驟：采用真空感應懸浮熔煉母合金，通過真空吸鑄制備母合金鑄棒；采用光學浮區(qū)晶體生長系統(tǒng)，保護氣采用氬氣，流動速度為3-3.6L/min，區(qū)域加熱熱區(qū)寬度為6-6.7mm之間，將TiAl基合金鑄棒進行熱處理，控制加熱溫度為1250-1350℃，抽拉速率為3-13μm/s范圍內(nèi)制備柱狀晶TiAl基合金。本發(fā)明與定向凝固技術(shù)相比，由于過程不需要經(jīng)歷包晶反應，因此避免了包晶偏析；還可以解決無法應用定向凝固技術(shù)制備出具有定向組織的金屬，比如鎢、鉬等難熔金屬和合金。
【專利說明】一種定向TiAI基合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種定向TiAl基合金及其制備方法，具體涉及一種在較低溫度下節(jié)能，無污染，具有組織定向排列的柱狀晶TiAl基合金的制備方法，可用作航空航天發(fā)動機渦輪葉片材料的制備，如鎳基高溫合金等。
【背景技術(shù)】
[0002]TiAl基金屬間化合物具有低密度、高比強度、高彈性模量、優(yōu)異的抗氧化及抗蠕變性能等優(yōu)點，且在高溫下仍能保持較高的比強度及比剛度，在航空、航天發(fā)動機和汽車耐高溫結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。美國GE公司近期宣布，用于波音787和747 一 8民航客機的GENX發(fā)動機低壓渦輪后兩級葉片將采用TiAl基金屬間化合物，減輕發(fā)動機重量約200kg，這是該體系合金作為結(jié)構(gòu)材料首次在航空工業(yè)領(lǐng)域批量應用，對航空發(fā)動機的減重意義重大，推動了全球TiAl基金屬間化合物的研究熱潮。
[0003]與大多數(shù)金屬間化合物一樣，室溫脆性是阻礙TiAl基合金作為高溫結(jié)構(gòu)材料實際應用的最大障礙，無法通過塑性加工的方法制備成形出結(jié)構(gòu)材料。因此凈型成形技術(shù)將是解決TiAl基合金取得工業(yè)應用的首要技術(shù)途徑。對于高溫合金而言，獲得具有晶界與拉伸應力方向平行排列的定向顯微結(jié)構(gòu)的多晶材料具有更優(yōu)良的抗蠕變性能，高的抗疲勞抗力，有利于抑制裂紋擴展，提高合金的斷裂韌性。此外，由于金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)對稱性低，晶界結(jié)合力差，晶界數(shù)量越多，反而危害越大。常規(guī)的熱處理工藝可以歸納為淬火-回火/時效熱處理和循環(huán)熱處理兩大類,但是常規(guī)的熱處理只能獲得細小的等軸晶，而不能獲得具有取向材料或 柱晶材料。
[0004]現(xiàn)有的定向凝固設備[專利:CN 103436960 A]制備TiAl基合金不僅需要將合金加熱到熔點以上，能耗高，而且設備的加熱寬度高，效率低，生長速度慢。因為需要坩堝，所以還會對合金熔體帶來污染?，F(xiàn)有的定向凝固技術(shù)制備TiAl基合金[專利:CN 102400074A]具體的弊端體現(xiàn)在一下幾點，第一，定向凝固需要將材料加熱到熔點以上，因此能耗高；第二，由于鈦及鈦合金熔體幾乎與所有陶瓷坩堝材料發(fā)生劇烈的反應，故而會對合金造成污染；第三，定向凝固過程要經(jīng)歷包晶反應，因此會產(chǎn)生偏析，對材料性能影響很大；第四，定向凝固技術(shù)無法制備出比如鎢、鑰等難熔金屬和合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種節(jié)能，無污染，具有定向排列的柱狀晶TiAl基合金的制備方法，用于要求高的抗蠕變性能、高的疲勞抗力的高溫渦輪發(fā)動機葉片材料的制備上。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
一種TiAl基合金，按原子百分比計，合金成分如下:T1-(40-50)Al-aNb-bCr-cMo-dV-eMn,式中，a、b、c、d、e 為原子百分比，a+b+c+d+e ^ 10,余量為 Ti。
[0007]優(yōu)選的方案，a、b、C、d、e中至少兩個不為O。
[0008]更優(yōu)選的方案，a、b、C、d、e中至少三個不為O。[0009]一種制備上述定向TiAl基合金的方法，所述方法包括以下步驟:
第一步:按照合金成分配比將原料放入真空感應懸浮熔煉爐中熔煉母合金；
第二步:采用真空吸鑄的方法，制備TiAl合金鑄棒；
第三步:采用光學浮區(qū)晶體生長系統(tǒng)，對第二步制備出來的合金鑄棒進行熱處理。
[0010]其中，第一步中所述母合金熔煉時采用水冷銅坩堝，真空抽至10_3Pa以下，再充入惰性氣體氬氣至常壓，熔煉功率為24kW，熔煉時間為3分鐘，反復熔煉次數(shù)為3次。
[0011]第二步中所述母合金鑄棒的真空吸鑄是采用Φ4的石英玻璃管吸鑄成型，吸鑄的壓強差為0.03MPa，采用的功率為20kW。
[0012]第三步中所述TiAl基合金熱處理工藝:在1250-1350°C，保溫2-5min，保護氣氬氣流量為3-3.6L/min，牽引棒轉(zhuǎn)動速度為20rpm，抽拉速率為3_13 μ m/s，升溫和降溫速率均為 276.4-276.6K/s。
[0013]本發(fā)明設計原理如下:
本發(fā)明主要是通過定向熱處理來控制熱流方向，從而控制合金重結(jié)晶及再結(jié)晶過程晶粒的長大方向，以獲得所需要的定向晶粒排列的顯微結(jié)構(gòu)或單晶技術(shù)。它是固態(tài)條件下的組織定向化技術(shù)，是制備具有定向顯微結(jié)構(gòu)并控制晶粒取向和晶界結(jié)構(gòu)的有效手段。
[0014]在合金成分設計上，由于高熔點的難熔元素Nb的添加，不僅有效地提高了合金的高溫力學性能，同時改善了高溫抗氧化性能，而且還保留了普通TiAl基合金低密度的優(yōu)點，現(xiàn)在己經(jīng)成為國內(nèi)外TiAl基合金發(fā)展的重要方向之一。
[0015]本發(fā)明光學浮區(qū)法制備定向TiAl基合金不僅無需坩堝、無污染、生長速度快，而且加熱效率高，加熱溫度集中，可以實現(xiàn)短時間快速升溫，與現(xiàn)有技術(shù)(定向凝固)相比，其顯著優(yōu)點是:(I)本發(fā)明不需要將材料加熱到熔點以上，即能做出拉長的柱狀晶組織，因此能耗低。(2)由于鈦及鈦合金熔體幾乎與所有陶瓷坩堝材料發(fā)生劇烈的反應，故而會造成污染，而本發(fā)明采用定向熱處理不需要加熱到熔點以上，因此避免了污染。(3)本發(fā)明與定向凝固技術(shù)相比，由于過程不需要經(jīng)歷包晶反應，因此避免了包晶偏析。(4)本發(fā)明還可以解決無法應用定向凝固技術(shù)制備出具有定向組織的金屬，比如鎢、鑰等難熔金屬和合金。
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0017]圖1是本發(fā)明TiAl基合金鑄棒原始鑄態(tài)組織顯微圖。
[0018]圖2是本發(fā)明定向TiAl基合金的縱向剖面宏觀組織。
【具體實施方式】
[0019]實施例1
(I)合金成分設計
本發(fā)明定向TiAl基合金按原子百分比計,合金成分設計如下:T1-50Al-8Nb-2Cr,余量為Ti。
[0020](2)母合金熔煉
按照成分(I)所設計的合金各元素原子百分比，采用高純T1、Al、Nb、Cr原材料配置出所需的合金。采用水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐熔制母合金，先將真空抽至KT3Pa以下，在通入高純Ar保護氣至壓強表讀數(shù)為OPa。由于采用了懸浮熔煉，所以有效的避免了高溫的TiAl熔體與坩堝發(fā)生反應所帶來的污染。熔煉功率按照如下增加步驟:9kw — 13kw — 20kw — 24kw,各步驟停留時間15_20s之間，最后穩(wěn)定在24kw,熔煉時間為3min。重復以上步驟，反復熔煉3次，目的使合金熔煉均勻。
[0021](3)合金鑄棒制備
采用真空吸鑄的方法，抽真空至10_3Pa以下，再充高純Ar保護氣，控制懸浮熔煉爐的壓強，與下方的水冷銅坩堝中產(chǎn)生0.03Mpa的壓強差。加熱功率調(diào)節(jié)至20Kw，功率增加步驟與
(2)相同，吸鑄成尺寸為Φ4Χ IOOmm的母合金鑄棒。鑄態(tài)組織如圖1所示。
[0022](4)制備柱狀晶TiAl基合金的熱處理工藝
采用光學浮區(qū)晶體生長系統(tǒng)(市售，型號:FZ-T-4000-H-S-PC-NUST)制備柱狀晶TiAl基合金，具體制備方 法如下:調(diào)節(jié)保護氣氬氣的流量，控制在3.6L/min ;調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速率為20rpm,目的是使合金鑄棒受熱均勻；在276.6K/s的升溫速率下快速升溫至1350°C，保溫2min ;采用13 μ m/s的抽拉速率向上牽引合金鑄棒；抽拉I小時后在276.6K/s的降溫速率下冷卻至室溫，關(guān)閉電源，取出鑄棒。
[0023]實施例2
(I)合金成分設計
本發(fā)明定向TiAl基合金按原子百分比計，合金成分設計如下:T1-45Al-5Nb-2Mo-V-Mn，余量為Ti。
[0024](2)母合金熔煉
按照成分(I)所設計的合金各元素原子百分比，采用高純T1、Al、Nb、Mo、V、Mn原材料配置出所需的合金。采用水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐熔制母合金，先將真空抽至IO-3Pa以下，在通入高純Ar保護氣至壓強表讀數(shù)為OPa。熔煉功率按照如下增加步驟:9kw — 13kw — 20kw — 24kw,各步驟停留時間15_20s之間，最后穩(wěn)定在24kw,熔煉時間為3min。重復以上步驟，反復熔煉3次。
[0025](3)合金鑄棒制備
采用真空吸鑄的方法，抽真空至10_3Pa以下，再充高純Ar保護氣，控制懸浮熔煉爐的壓強，與下方的水冷銅坩堝中產(chǎn)生0.03Mpa的壓強差。加熱功率調(diào)節(jié)至20Kw，功率增加步驟與
(2)相同，吸鑄成尺寸為Φ 4X IOOmm的母合金鑄棒。
[0026](4)制備柱狀晶TiAl基合金的熱處理工藝
采用光學浮區(qū)晶體生長系統(tǒng)(市售，型號:FZ-T-4000-H-S-PC-NUST)制備柱狀晶TiAl基合金，具體制備方法如下:調(diào)節(jié)保護氣氬氣的流量，控制在3.3L/min ;調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速率為20rpm ;在276.6K/s的升溫速率下快速升溫至1300°C，保溫3min ;采用10 μ m/s的抽拉速率向上牽引合金鑄棒；抽拉I小時后在276.6K/s的降溫速率下冷卻至室溫，關(guān)閉電源，取出鑄棒。
[0027]實施例3
(I)合金成分設計
本發(fā)明定向TiAl基合金按原子百分比計,合金成分設計如下:T1-40Al-2Nb-2Mo-V,余量為Ti。
[0028](2)母合金熔煉按照成分(I)所設計的合金各元素原子百分比，采用高純T1、Al、Mo、Nb、V原材料配置出所需的合金。采用水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐熔制母合金，先將真空抽至IO-3Pa以下，在通入高純Ar保護氣至壓強表讀數(shù)為OPa。熔煉功率按照如下增加步驟:9kw — 13kw — 20kw — 24kw,各步驟停留時間15_20s之間，最后穩(wěn)定在24kw,熔煉時間為3min。重復以上步驟，反復熔煉3次。
[0029](3)合金鑄棒制備
采用真空吸鑄的方法，抽真空至10_3Pa以下，再充高純Ar保護氣，控制懸浮熔煉爐的壓強，與下方的水冷銅坩堝中產(chǎn)生0.03Mpa的壓強差。加熱功率調(diào)節(jié)至20Kw，功率增加步驟與(2)相同，吸鑄成尺寸為Φ 4X IOOmm的母合金鑄棒。
[0030](4)制備柱狀晶TiAl基合金的熱處理工藝
采用光學浮區(qū)晶體生長系統(tǒng)(市售，型號:FZ-T-4000-H-S-PC-NUST)制備柱狀晶TiAl基合金，具體制備方法如下:調(diào)節(jié)保護氣氬氣的流量，控制在3.2L/min ;調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速率為20rpm ;在276.5K/s的升溫速率下快速升溫至1300°C，保溫3min ;采用8 μ m/s的抽拉速率向上牽引合金鑄棒；抽拉I小時后在276.5K/s的降溫速率下冷卻至室溫，關(guān)閉電源，取出鑄棒。
[0031]實施例4
(I)合金成分設計
本發(fā)明定向TiAl基 合金按原子百分比計，合金成分設計如下:T1-45Al-8Nb，余量為Ti。
[0032](2)母合金熔煉
按照成分(I)所設計的合金各元素原子百分比，采用高純T1、Al、Nb原材料配置出所需的合金。采用水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐熔制母合金，先將真空抽至IO-3Pa以下，在通入高純Ar保護氣至壓強表讀數(shù)為OPa。熔煉功率按照如下增加步驟:9kw — 13kw — 20kw — 24kw,各步驟停留時間15_20s之間，最后穩(wěn)定在24kw,熔煉時間為3min。重復以上步驟，反復熔煉3次。
[0033](3)合金鑄棒制備
采用真空吸鑄的方法，抽真空至10_3Pa以下，再充高純Ar保護氣，控制懸浮熔煉爐的壓強，與下方的水冷銅坩堝中產(chǎn)生0.03Mpa的壓強差。加熱功率調(diào)節(jié)至20Kw，功率增加步驟與(2)相同，吸鑄成尺寸為Φ 4X IOOmm的母合金鑄棒。
[0034](4)制備柱狀晶TiAl基合金的熱處理工藝
采用光學浮區(qū)晶體生長系統(tǒng)(市售，型號:FZ-T-4000-H-S-PC-NUST)制備柱狀晶TiAl基合金，具體制備方法如下:調(diào)節(jié)保護氣氬氣的流量，控制在3L/min ;調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速率為20rpm ;在276.4K/s的升溫速率下快速升溫至1250°C，保溫5min ;采用5 μ m/s的抽拉速率向上牽引合金鑄棒；抽拉1.5小時后在276.4K/s的降溫速率下冷卻至室溫，關(guān)閉電源，取出鑄棒。
[0035]經(jīng)過熱處理的鑄棒縱向剖面宏觀圖如圖2所示。
[0036]實施例5
(I)合金成分設計
發(fā)明定向TiAl基合金按質(zhì)量百分比計，合金成分設計如下:T1-44Al，余量為Ti。[0037](2)母合金熔煉
按照成分(I)所設計的合金各元素原子百分比，采用高純T1、Al原材料配置出所需的合金。采用水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐熔制母合金，先將真空抽至KT3Pa以下，在通入高純Ar保護氣至壓強表讀數(shù)為OPa。熔煉功率按照如下增加步驟:9kw — 13kw — 20kw — 24kw,各步驟停留時間15_20s之間，最后穩(wěn)定在24kw,熔煉時間為3min。重復以上步驟，反復熔煉3次。
[0038](3)合金鑄棒制備
采用真空吸鑄的方法，抽真空至10_3Pa以下，再充高純Ar保護氣，控制懸浮熔煉爐的壓強，與下方的水冷銅坩堝中產(chǎn)生0.03Mpa的壓強差。加熱功率調(diào)節(jié)至20Kw，功率增加步驟與
(2)相同，吸鑄成尺寸為Φ 4X IOOmm的母合金鑄棒。
[0039](4)制備柱狀晶TiAl基合金的熱處理工藝
采用光學浮區(qū)晶體生長系統(tǒng)(市售，型號:FZ-T-4000-H-S-PC-NUST)制備柱狀晶TiAl基合金，具體制備方法如下:調(diào)節(jié)保護氣氬氣的流量，控制在3L/min ;調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速率為20rpm ;在276.4K/s的升溫速率下快速升溫至1250°C，保溫5min ;采用3 μ m/s的抽拉速率向上牽引合金鑄棒；抽拉2.5小時后在276.4K/s的降溫速率下冷卻至室溫，關(guān)閉電源，取出鑄棒。
[0040]實施例6
(I)合金成分設計
本發(fā)明定向TiAl基合金按原子百分比計，合金成分設計如下:T1-40Al-2Nb-2Cr-2Mo-V-Mn，余量為Ti。
[0041](2)母合金熔煉
按照成分(I)所設計的合金各元素原子百分比，采用高純T1、Al、Mo、Nb、V、Cr、Mn原材料配置出所需的合金。采用水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐熔制母合金，先將真空抽至10_3Pa以下，在通入高純Ar保護氣至壓強表讀數(shù)為OPa。熔煉功率按照如下增加步驟:9kw — 13kw — 20kw — 24kw,各步驟停留時間15_20s之間，最后穩(wěn)定在24kw,熔煉時間為3min。重復以上步驟，反復熔煉3次。
[0042](3)合金鑄棒制備
采用真空吸鑄的方法，抽真空至10_3Pa以下，再充高純Ar保護氣，控制懸浮熔煉爐的壓強，與下方的水冷銅坩堝中產(chǎn)生0.03Mpa的壓強差。加熱功率調(diào)節(jié)至20Kw，功率增加步驟與
(2)相同，吸鑄成尺寸為Φ 4X IOOmm的母合金鑄棒。
[0043](4)制備柱狀晶TiAl基合金的熱處理工藝
采用光學浮區(qū)晶體生長系統(tǒng)(市售，型號:FZ-T-4000-H-S-PC-NUST)制備柱狀晶TiAl基合金，具體制備方法如下:調(diào)節(jié)保護氣氬氣的流量，控制在3.2L/min ;調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動速率為20rpm ;在276.5K/s的升溫速率下快速升溫至1300°C，保溫3min ;采用8 μ m/s的抽拉速率向上牽引合金鑄棒；抽拉I小時后在276.5K/s的降溫速率下冷卻至室溫，關(guān)閉電源，取出鑄棒。
[0044]實施例7
本發(fā)明定向TiAl基合金按質(zhì)量百分比計，合金成分設計如下:T1-46Al-2Cr-2Nb，余量為Ti。采用與實施例3相同的方法制備定向TiAl基合金。[0045]實施例8
本發(fā)明定向TiAl基合金按質(zhì)量百分比計，合金成分設計如下:T1-45Al-4V-Mn，余量為Ti。采用與實施例3相同的方法制備定向TiAl基合金。
[0046]實施例9
本發(fā)明定向TiAl基合金按質(zhì)量百分比計，合金成分設計如下:T1-45Al-8Nb-V，余量為Ti。采用與實施例3相同的方法制備定向TiAl基合金。
[0047]實施例10
本發(fā)明定向TiAl基合金按質(zhì)量百分比計,合金成分設計如下:T1-45Al-4Nb-2Cr-V,余量為Ti。采用與實施例3相同的方法制備定向TiAl基合金。
[0048]實施例11
本發(fā)明定向TiAl基合金按質(zhì)量百分比計，合金成分設計如下:T1-45Al-2Nb-2Mo-2Mn，余量為Ti。采用與實施例3相同的方法制備定向TiAl基合金。
[0049]實施例12
本發(fā)明定向TiAl基合金按質(zhì)量百分比計,合金成分設計如下:T1-45Al-2Cr-2V-Mn,余量為Ti。采用與實施例3相同的方法制備定向TiAl基合金。
[0050]實施例13
本發(fā)明定向TiAl基合金按質(zhì)量百分比計，合金成分設計如下:T1-45Al-2Nb-2Cr-2V-Mn，余量為Ti。采用與實施例3相同的方法制備定向TiAl基合金。
【權(quán)利要求】
1.一種定向TiAl基合金,其特征在于，按原子百分比計,合金成分如下:T1-(40-50)Al-aNb-bCr-cMo-dV-eMn,式中，a、b、c、d、e 為原子百分比，a+b+c+d+e ^ 10,余量為 Ti。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向TiAl基合金，其特征在于，所述的a、b、c、d、e中至少兩個不為O。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向TiAl基合金,其特征在于,所述的a、b、c、d、e中至少三個不為O。
4.一種定向TiAl基合金的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 第一步:按照合金成分配比將原料放入真空感應懸浮熔煉爐中熔煉母合金； 第二步:采用真空吸鑄的方法，制備TiAl合金鑄棒； 第三步:采用光學浮區(qū)晶體生長系統(tǒng)，對第二步制備出來的合金鑄棒進行熱處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向TiAl基合金的制備方法，其特征在于，第一步中所述的合金成分如下:Ti_(40-50) Al-aNb-bCr-cMo-dV-eMn,式中，a、b、C、d、e為原子百分比，a+b+c+d+e ^ 10，余量為 Ti。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向TiAl基合金的制備方法，其特征在于，第一步中所述母合金熔煉時采用水冷銅坩堝，真空抽至10_3Pa以下，再充入惰性氣體氬氣至常壓，熔煉功率為24kW,熔煉時間為3分鐘,反復熔煉次數(shù)為3次。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向TiAl基合金的制備方法，其特征在于，第二步中所述母合金鑄棒的真空吸鑄是采用Φ4的石英玻璃管吸鑄成型，吸鑄的壓強差為0.03MPa，采用的功率為20kW。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向TiAl基合金的制備方法，其特征在于，第三步中所述熱處理工藝參數(shù)為:在1250-1300°C，保溫2-5min，保護氣氬氣流量為3_3.6L/min，牽引棒轉(zhuǎn)動速度為20rpm，抽拉速率為3-13 μ m/s，升溫和降溫速率均為276.4-276.6K/s。
【文檔編號】C22F1/18GK103789598SQ201410073870
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】陳 光, 王建成, 周雪峰, 祁志祥, 李培源, 李沛 申請人:南京理工大學