一種雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金及其制備方法，所述的TiAl合金成分原子百分比為TiaAlb，其中49＜a＜50.6，49.4＜b＜51，a+b=100，其主體為柱狀晶，且在柱狀晶的晶界處內(nèi)生γ相等軸晶；制備TiAl合金的步驟為：根據(jù)TiAl二元合金體系相圖選擇合適成分；采用水冷銅坩堝和真空非自耗電弧熔煉爐制備圓柱棒母合金；采用光學(xué)浮區(qū)晶體生長裝置對母合金進(jìn)行定向凝固，得到所述的雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金。本發(fā)明的雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金具有柱狀晶和等軸晶組織，其中等軸晶組織在柱狀晶晶界處，可保持柱狀晶組織的性能特點(diǎn)，可以簡單有效改善合金性能。
【專利說明】
一種雙重結(jié)構(gòu)T i AI合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TiAl合金具有低密度、高比強(qiáng)、良好的高溫性能以及優(yōu)異的抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)，是以克為減重單位的航空航天高溫用，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)用最佳候選材料。美國GE公司成功利用T1-48Al-2Cr-2Nb(4822)合金研制了波音飛機(jī)后兩級低壓渦輪葉片，使單個(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)減重200Kg左右。空中客車公司利用鍛造TiAl合金，制造了PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，并已成功試飛。此外，汽車增壓渦輪葉片等部件對TiAl合金都具有大量應(yīng)用需求。
[0003]雖然TiAl合金具有不可替代的顯著優(yōu)點(diǎn)，但是其室溫脆性導(dǎo)致了TiAl合金難以加工，并限制了其在高溫部件上的進(jìn)一步應(yīng)用。制備TiAl基復(fù)合材料是眾多用來改善TiAl合金室溫脆性問題的一種有效方法，但是其一般采用外加復(fù)合的方法，其界面問題突出，不能有效提高性能。比如，崔喜平等人利用固液反應(yīng)法制備增強(qiáng)體層狀分布的TiAl基復(fù)合材料板(《金屬學(xué)報(bào)》，2013年)，事實(shí)上該方法并沒有很有效的改善TiAl合金的室溫性能，原因就是硬脆的TiB2富集層在界面處造成的。此外，陳光課題組發(fā)現(xiàn)利用定向凝固方法制備柱狀晶或者單晶TiAl合金也可提高TiAl合金室溫塑性(一種高強(qiáng)高塑TiAl合金材料及其制備方法，專利申請?zhí)?201410529844.5)，然而該方法得到TiAl單晶的成功率比較低，很難得以商業(yè)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金及其制備方法。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金，所述合金原子百分比表達(dá)式為TiaAlb,其中49<a<50.6，49.4<b<51，a+b=100，所述TiAl合金主體為柱狀晶，且在柱狀晶的晶界處內(nèi)生γ相等軸晶。
[0006]—種制備上述雙重結(jié)構(gòu)的TiAl合金的方法，包括以下步驟:
第一步:根據(jù)目標(biāo)TiAl合金成分選取原料，確定其合金原子百分比表達(dá)式為TiaAlb，其4349<a<50.6,49.4<b<51,a+b=100；
第二步:采用水冷銅坩禍懸浮熔煉爐反復(fù)熔煉至少4次上述原料，然后采用真空非自耗電弧熔煉爐制備直徑為6-8_的TiAl合金圓柱棒；
第三步:在氬氣流保護(hù)下，采用光學(xué)浮區(qū)晶體生長裝置對圓柱棒合金進(jìn)行定向凝固，得到所述的雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金。
[0007]第一步中，原料的純度不小于99.999%。
[0008]第二步中，水冷銅坩禍懸浮熔煉爐中的真空度小于10—2Pa，真空非自耗電弧熔煉爐的真空度小于I (T2Pa。
[0009]第三步中，光學(xué)浮區(qū)晶體生長時(shí)，下端為長度在20-30mm的籽晶棒，上端為長度小于190mm的T iAl合金圓柱棒作為送料棒，兩者成分相同；定向凝固時(shí)將送料棒與籽晶棒同軸且垂直于水平面以相距l(xiāng)-3mm的間距設(shè)置，且該間距位于四個(gè)燈絲聚焦中心處;通入流量在3-5L/min的惰性氣體(氬氣或者氮?dú)?進(jìn)行保護(hù)，并調(diào)節(jié)籽晶棒和送料棒反方向同速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為30r/min，在5min之內(nèi)將功率均勻升至65.5%，調(diào)整送料棒與籽晶棒相互接觸，保溫5-1Omin后至浮區(qū)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)生長速率為5-20mm/h，開始進(jìn)行定向凝固，凝固結(jié)束后緩慢降低功率，同時(shí)并將已凝固試樣與剩余送料棒試樣進(jìn)行緩慢分離。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有顯著優(yōu)點(diǎn):
(I)本發(fā)明的TiAl雙重結(jié)構(gòu)可看成是復(fù)合材料中的一種，但是為內(nèi)生復(fù)合，解決了復(fù)合材料中固有的界面問題；(2)本發(fā)明是利用光學(xué)浮區(qū)晶體生長裝置獨(dú)特的發(fā)熱特點(diǎn)，一步制備出的雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金復(fù)合材料方法簡單，對復(fù)合材料的制備具有重要參考價(jià)值;(3)本發(fā)明的TiAl合金主體組織仍為柱狀晶，可保持柱狀晶組織的性能特點(diǎn)，因此也可以簡單有效改善合金性能。
[0011]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0012]圖1是TiAl合金二元體系相圖。
[0013]圖2是實(shí)施例1的定向凝固TiAl合金固液界面顯微組織(a為整體圖，b為a中放大區(qū)域的線掃描成分能譜圖)。
[0014]圖3是實(shí)施例1的定向凝固TiAl合金光學(xué)顯微組織(a為整體圖，b為a中放大區(qū)域的組織圖)。
[0015]圖4是對比例I的非雙重結(jié)構(gòu)柱狀組織TiAl合金顯微組織。
[0016]圖5是對比例2的非雙重結(jié)構(gòu)單晶TiAl合金顯微組織。
[0017]圖6是本發(fā)明對比例3的穩(wěn)定段為非雙重結(jié)構(gòu)單晶TiAl合金顯微組織。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
(1)根據(jù)圖1所示的TiAl合金二元體系相圖，選擇純度為99.999%的高純Ti和Al原料，配比成分為Ti5OAl5O的合金，以使合金可發(fā)生L+α— γ相變。在真空度為3 X 10—3Pa的懸浮熔煉爐中反復(fù)熔煉4次;然后將熔煉好的合金在相同真空度下，采用真空非自耗電弧熔煉爐熔煉直徑為6mm的圓柱棒；
(2)在氬氣流保護(hù)下的光學(xué)浮區(qū)晶體生長裝置中進(jìn)行定向凝固，下端為長度在20-30mm的籽晶棒，上端為長度小于190mm的TiAl合金圓柱棒作為送料棒，兩者成分相同；定向凝固時(shí)將送料棒與籽晶棒同軸且垂直于水平面設(shè)置，送料棒與籽晶棒相距l(xiāng)_3mm，且該間距位于四個(gè)燈絲聚焦中心處;通入流量在4L/min的惰性氣體氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，并調(diào)節(jié)籽晶棒和送料棒反方向同速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為30r/min，在5min之內(nèi)將功率均勻升至65.5%，調(diào)整送料棒與籽晶棒相互接觸，保溫1min后至浮區(qū)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)生長速率為15mm/h，開始進(jìn)行定向凝固，待試樣進(jìn)行一段時(shí)間后，迅速切斷電流，以保留固液區(qū)形貌。圖2為固液區(qū)形貌，枝晶臂與枝晶干成60°，說明其為α相凝固。
[0019](3)對固液形貌處選區(qū)進(jìn)行線掃描，發(fā)現(xiàn)黑色組織為富Al相。由于光學(xué)浮區(qū)獨(dú)特的發(fā)熱特點(diǎn)，其中心處溫度低，結(jié)合TiAl合金相圖可知，當(dāng)Al富集到一定程度后，會發(fā)生L+a—γ相變。因此，中心處會存留γ相。而兩側(cè)溫度高，來不及發(fā)生L+α— γ相變，α相在隨后的冷卻中會生成片層組織。具體的組織如圖3所示，這樣就可得到雙重結(jié)構(gòu)的TiAl合金。
[0020]實(shí)施例2
米用成分為Ti5Q.5Al49.5的合金，米用直徑為8mm的圓柱棒，在20mm/h的生長速率下進(jìn)行定向凝固，其他條件同實(shí)施例1，依然可得到如實(shí)施例1所述的雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金。
[0021]實(shí)施例3
采用成分為Ti49Al5i的合金，采用直徑為6mm的圓柱棒，在15mm/h的生長速率下進(jìn)行定向凝固，其他條件同實(shí)施例1，依然可得到如實(shí)施例1所述的雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金。
[0022]對比例I
采用成分為Ti56Al44的合金，在生長速率為15mm/h情況下進(jìn)行定向凝固，其他同實(shí)施例1，得到如圖4所示的穩(wěn)定段為非雙重結(jié)構(gòu)柱狀組織TiAl合金。
[0023]對比例2
采用成分為Ti57.2Al42.8的合金，在生長速率為15mm/h情況下進(jìn)行定向凝固，其他同實(shí)施例I，得到如圖5所示的穩(wěn)定段為非雙重結(jié)構(gòu)單晶TiAl合金。
[0024]對比例3
采用成分為Ti5oAl5Q的合金，在生長速率為25mm/h的情況下進(jìn)行定向凝固，其他條件同實(shí)施例1，得到如圖6所示的穩(wěn)定段為非雙重結(jié)構(gòu)單晶TiAl合金。
[0025]對比例4
采用成分為Ti5oAl5Q的合金，在生長速率為20mm/h的情況下對直徑為4mm的合金進(jìn)行定向凝固，其他條件同實(shí)施例1，得到如對比例3所述的的穩(wěn)定段為非雙重結(jié)構(gòu)的單晶TiAl合金。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金，其特征在于，所述合金原子百分比表達(dá)式為TiaAlb，其中，49<a<50.6，49.4<b<51，a+b=100，所述TiAl合金主體為柱狀晶，且在柱狀晶的晶界處內(nèi)生T相等軸晶。2.如權(quán)利要求1所述的TiAl合金，其特征在于，由以下步驟制備: 第一步:根據(jù)目標(biāo)TiAl合金成分選取原料； 第二步:采用水冷銅坩禍懸浮熔煉爐反復(fù)熔煉至少4次上述原料，然后采用真空非自耗電弧熔煉爐制備直徑為6-8_的TiAl合金圓柱棒； 第三步:在氬氣流保護(hù)下，采用光學(xué)浮區(qū)晶體生長裝置對圓柱棒合金進(jìn)行定向凝固，得到所述的雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金。3.如權(quán)利要求2所述的TiAl合金，其特征在于，第一步中，原料的純度不小于99.999%。4.如權(quán)利要求2所述的TiAl合金，其特征在于，第二步中，水冷銅坩禍懸浮熔煉爐中的真空度小于10—2Pa，真空非自耗電弧熔煉爐的真空度小于10—2Pa。5.如權(quán)利要求2所述的TiAl合金，其特征在于，第三步中，光學(xué)浮區(qū)晶體生長時(shí)，下端為長度在20-30mm的籽晶棒，上端為長度小于190mm的TiAl合金圓柱棒作為送料棒，兩者成分相同；定向凝固時(shí)將送料棒與籽晶棒同軸且垂直于水平面以相距l(xiāng)_3mm的間距設(shè)置，且該間距位于四個(gè)燈絲聚焦中心處;通入流量在3-5L/min的惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，并調(diào)節(jié)籽晶棒和送料棒反方向同速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為30r/min，在5min之內(nèi)將功率均勻升至65.5%，調(diào)整送料棒與籽晶棒相互接觸，保溫5-10min后至浮區(qū)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)生長速率為5-20mm/h，開始進(jìn)行定向凝固，凝固結(jié)束后緩慢降低功率，同時(shí)并將已凝固試樣與剩余送料棒試樣進(jìn)行緩慢分離。6.如權(quán)利要求1所述的TiAl合金的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步:根據(jù)目標(biāo)TiAl合金成分選取原料； 第二步:采用水冷銅坩禍懸浮熔煉爐反復(fù)熔煉至少4次上述原料，然后采用真空非自耗電弧熔煉爐制備直徑為6-8_的TiAl合金圓柱棒； 第三步:在氬氣流保護(hù)下，采用光學(xué)浮區(qū)晶體生長裝置對圓柱棒合金進(jìn)行定向凝固，得到所述的雙重結(jié)構(gòu)TiAl合金。7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，第一步中，原料的純度不小于99.999%。8.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，第二步中，水冷銅坩禍懸浮熔煉爐中的真空度小于10—2Pa，真空非自耗電弧熔煉爐的真空度小于10—2Pa。9.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，第三步中，光學(xué)浮區(qū)晶體生長時(shí)，下端為長度在20-30mm的籽晶棒，上端為長度小于190mm的TiAl合金圓柱棒作為送料棒，兩者成分相同；定向凝固時(shí)將送料棒與籽晶棒同軸且垂直于水平面以相距l(xiāng)_3mm的間距設(shè)置，且該間距位于四個(gè)燈絲聚焦中心處;通入流量在3-5L/min的惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，并調(diào)節(jié)籽晶棒和送料棒反方向同速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為30r/min，在5min之內(nèi)將功率均勻升至65.5%，調(diào)整送料棒與籽晶棒相互接觸，保溫5-10min后至浮區(qū)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)生長速率為5-20mm/h，開始進(jìn)行定向凝固，凝固結(jié)束后緩慢降低功率，同時(shí)并將已凝固試樣與剩余送料棒試樣進(jìn)行緩慢分離。
【文檔編號】C30B29/52GK105821470SQ201610231315
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】陳 光, 祁志祥, 葛志軍, 李沛
【申請人】南京理工大學(xué)