一種高強(qiáng)高塑TiAl合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)高塑TiAl合金材料及其制備方法。本發(fā)明的TiAl合金材料由Ti、Al、Nb組成，其原子百分比為：(44~51)Ti-(43~47)Al-(6~9)Nb。本發(fā)明高強(qiáng)高塑TiAl合金材料的制備方法為：水冷銅坩堝電磁感應(yīng)懸浮熔煉TiAl合金母合金錠，并通過吸鑄獲得母合金棒材；采用四鏡光學(xué)浮區(qū)定向凝固爐，將母合金棒材進(jìn)行定向凝固，控制TiAl合金片層取向并獲得PST晶體；再通過真空熱處理爐對PST晶體在α單相區(qū)熱處理及去應(yīng)力退火，消除B2相偏析并消除殘余應(yīng)力，最終形成具有高強(qiáng)度高塑性的TiAl合金材料。本發(fā)明制備的TiAl合金材料避免了熔化過程中坩堝對TiAl合金的污染，并克服了傳統(tǒng)籽晶法成分性能不均勻、加工復(fù)雜的缺點(diǎn)，該材料在提高強(qiáng)度的同時(shí)，獲得了顯著的室溫拉伸塑性。
【專利說明】一種高強(qiáng)高塑TiAl合金材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬間化合物材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是在合理設(shè)計(jì)合金成分的基礎(chǔ)上，采用光學(xué)浮區(qū)定向凝固方法以及真空熱處理，制備出一種室溫下具有高強(qiáng)度以及高塑性的TiAl合金材料。

【背景技術(shù)】
[0002]TiAl金屬間化合物具有低密度、高彈性模量以及良好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和抗氧化能力。其使用溫度可達(dá)750?900°C，與Ni基高溫合金相近；但其密度僅為高溫合金的一半，因而是理想的Ni基高溫合金的替代材料，可廣泛應(yīng)用于汽車或航空發(fā)動機(jī)的高溫部件如葉片、渦輪盤和排氣閥等。
[0003]但由于金屬間化合物的本征脆性，TiAl合金室溫脆性差成為阻礙其工業(yè)化應(yīng)用的主要原因。所以，大量研究集中在通過定向凝固手段控制TiAl合金組織結(jié)構(gòu)。由于TiAl合金PST晶體中強(qiáng)度與塑性呈現(xiàn)的明顯的各向異性，將TiAl合金采用定向凝固的方法制作出全片層組織PST晶體，并使其片層組織取向平行于定向凝固中晶體的生長方向，可以提高TiAl合金的力學(xué)性能。
[0004]傳統(tǒng)定向凝固方法采用坩堝熔煉，而TiAl合金中Ti元素在高溫下極為活潑，與大部分坩堝材料會發(fā)生反應(yīng)，如氧化鋁、氧化鋯和石墨等。這些反應(yīng)物作為雜質(zhì)存在并改變合金成分，導(dǎo)致組織變化和性能的大幅度下降。而光學(xué)浮區(qū)法定向凝固是利用熔融態(tài)的液相表面張力維持正在生長的晶體與原料棒之間的熔區(qū)穩(wěn)定，整個(gè)過程無需坩堝等容器，從而避免了容器對合金的污染。Johnson D.R和Yamaguchi等人通過α相凝固籽晶法，選用T1-Al-Si系合金作為籽晶，通過縮頸選晶法得到了片層取向完全平行于生長方向的單晶PST。籽晶成分通常與母合金成分存在差異導(dǎo)致定向凝固合金的成分和性能不均勻，而且籽晶的制備工藝復(fù)雜。因此，籽晶法具有明顯的不足。
[0005]高Nb-TiAl合金其高溫力學(xué)性能、抗蠕變性能及氧化性能顯著高于普通TiAl合金，提高使用溫度約60?100，1:是最有工程應(yīng)用前景的TiAl合金。但由于Nb元素為穩(wěn)定β相能力很強(qiáng)的元素，在定向凝固過程中較慢的生長速率下很容易形成大量的β偏析，冷卻至室溫形成Β2相；Β2相在室溫下為脆性相，嚴(yán)重影響TiAl合金的室溫性能。
[0006]因此，必須在定向凝固過程中避免坩堝對合金的污染以及籽晶法導(dǎo)致的成分性能的不均勻，并通過熱處理消除脆性相，以獲得具有優(yōu)異性能的TiAl合金。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)異室溫強(qiáng)度及拉伸塑性的TiAl合金材料及其制備方法。通過采用非籽晶法光學(xué)浮區(qū)定向凝固，并通過熱處理完全消除了脆性B2相，成功地獲得了具有理想片層取向、組織均勻無污染的TiAl合金單晶，
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種高強(qiáng)高塑TiAl合金材料，以原子百分比計(jì)，其合金成分為:(44?51)T1-(43?47)Α1-(6?9)Nb。
[0009]上述高強(qiáng)高塑TiAl合金材料的制備方法，其制備工藝為:
[0010](1)電磁感應(yīng)懸浮熔煉TiAl合金母合金紐扣錠，采用重力鑄造法或吸鑄法獲得母合金棒材；
[0011](2)將母合金棒材切割為上、下棒料兩部分，分別作為光學(xué)浮區(qū)定向凝固爐的原料棒與籽晶棒；上、下棒料之間的距離為3?5mm ;通入高純氬氣作為氣氛保護(hù)，調(diào)節(jié)上、下棒料的軸向相對轉(zhuǎn)速為20?30rpm，啟動加熱，使上、下棒料的相對一端先熔化，調(diào)整上、下棒料的位置，使其相對一端逐漸接近后接合，調(diào)節(jié)功率至總功率的55?70%，當(dāng)浮區(qū)表面光滑且熔化均勻時(shí)，調(diào)節(jié)生長速率為2.5?20mm/h，開始定向凝固；
[0012](3)將制備的TiAl合金單晶棒材進(jìn)行真空熱處理；采用1250°C?1350°C X12h?24h+900°C X30min/爐冷的熱處理工藝。
[0013]步驟(1)中所述的電磁感應(yīng)懸浮熔煉采用水冷銅坩堝，所述的母合金棒材尺寸為Φ (4 ?6)mmX 120mm。
[0014]步驟(2)中高純氬氣的流量為3?5L/min。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:
[0016](1)本發(fā)明提出的TiAl合金材料制備工藝方法能大幅度提高該合金的室溫力學(xué)性能，尤其改善了室溫脆性。
[0017](2)采用非籽晶光學(xué)浮區(qū)法定向凝固技術(shù)，防止合金污染的同時(shí)避免了籽晶法中加工復(fù)雜、成分組織不均勻的缺點(diǎn)。
[0018](3)運(yùn)用真空熱處理完全消除了 TiAl合金定向凝固后組織中殘留的大量脆性B2相，從而獲得組織均勻、室溫性能優(yōu)異的合金材料。
[0019](4)該方法制備工藝簡單，成本低，改善室溫脆性效果顯著，具有普遍適用性及推廣價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是為高強(qiáng)高塑TiAl合金材料的制備流程圖。
[0021]圖2是TiAl合金定向凝固單晶(a)及片層取向(b)顯微組織。
[0022]圖3是TiAl合金單晶不同熱處理工藝前后偏析的顯微結(jié)構(gòu)(a為熱處理前，b為熱處理后)。
[0023]圖4是不同熱處理工藝前后TiAl合金單晶的XRD衍射圖。
[0024]圖5是TiAl合金室溫拉伸力學(xué)性能曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明一種高強(qiáng)高塑TiAl合金材料及其制備方法，下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，其【具體實(shí)施方式】如下:
[0026](1)結(jié)合圖1，本發(fā)明一種高強(qiáng)高塑TiAl合金材料，其合金成分原子百分比為:(44?51)T1-(43?47)Α1-(6?9)Nb。通過調(diào)整原子成分之間的配比關(guān)系，使其先析出相全部為β相。
[0027](2)選取水冷銅坩堝電磁感應(yīng)懸浮熔煉TiAl合金母合金紐扣錠，采用吸鑄法獲得母合金棒材。
[0028](3)將母合金棒材切割為原料棒與籽晶棒兩部分，通過光學(xué)浮區(qū)法進(jìn)行定向凝固；通入高純氬氣作為氣氛保護(hù)，調(diào)節(jié)上下段相對轉(zhuǎn)速、加熱功率以及生長速率控制TiAl合金片層取向并獲得單晶生長。
[0029](4)將制備的TiAl合金單晶棒材進(jìn)行真空熱處理；采用在α單相區(qū)加熱一定時(shí)間后保溫后退火；完全消除脆性Β2相及殘余應(yīng)力，獲得高強(qiáng)高塑TiAl合金材料。
[0030](5)利用0M、XRD對制備的TiAl合金進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，并進(jìn)一步對其進(jìn)行力學(xué)性能表征，以確定具有最佳綜合力學(xué)性能的TiAl合金材料微觀組織及其相應(yīng)的制備工藝參數(shù)。
[0031]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0032]實(shí)施例1
[0033](1)原材料的選用:
[0034]本發(fā)明制備母合金錠選用的合金成分為Ti47A145Nb8(原子百分比)，各金屬組兀的純度 T1、A1 為 99.999 %，Nb 為 99.95 %。
[0035](2)母合金錠的制備:
[0036]高純氬氣保護(hù)條件下，用水冷銅坩堝電磁感應(yīng)懸浮熔煉爐熔制母合金錠:將金屬原料的表面機(jī)械打磨去掉表面的氧化皮后，按照設(shè)計(jì)好的成分配比料備料；按照每錠70g左右的重量將配好的料放入熔煉爐內(nèi)的水冷銅坩堝內(nèi)，抽真空至5X10_3Pa ;向爐內(nèi)充入一定量壓力的高純氬氣(99.999%)，氬氣壓力范圍為0.8?IMPa。多道次熔煉3?4次得到混合均勻的母合金錠。隨后將母合金錠吸鑄成Φ6Χ 120mm棒材。
[0037](3)光學(xué)浮區(qū)定向凝固:
[0038]將母合金棒材切割為上、下棒料兩部分，分別作為光學(xué)浮區(qū)定向凝固爐的原料棒與籽晶棒；上、下棒料之間的距離為3?5mm ;通入5L/min的高純気氣作為氣氛保護(hù)，調(diào)節(jié)上、下棒料的軸向相對轉(zhuǎn)速30rpm，啟動加熱，使上、下棒料的相對一端先熔化，調(diào)整上、下棒料的位置，使其相對一端逐漸接近后接合，調(diào)節(jié)功率至總功率的68%，當(dāng)浮區(qū)表面光滑熔化均勻時(shí)(即浮區(qū)無明顯抖動時(shí))，調(diào)節(jié)生長速率為5mm/h，開始定向凝固；生長至80mm時(shí)停止定向凝固過程。
[0039](4)真空熱處理
[0040]將定向凝固棒材單晶部分放入剛玉管內(nèi)，抽真空至10_3Pa后封管，放入熱處理爐，采用1300°C X24h+900°C X30min/爐冷的熱處理工藝。
[0041](5)結(jié)構(gòu)和性能表征
[0042]圖2a是光學(xué)浮區(qū)定向凝固后的試棒宏觀照片，可見試樣在定向凝固中經(jīng)歷短暫競爭淘汰后迅速成為單晶生長，圖2b表明單晶片層取向平行于生長方向。圖3(a)與圖3(b)是熱處理前后顯微組織圖，結(jié)合圖4的XRD圖譜可以看出熱處理前組織內(nèi)部分布著大量的B2相，24h熱處理后B2完全消除。圖5為所制備的高強(qiáng)高塑TiAl合金的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其屈服強(qiáng)度為729MPa，同時(shí)塑性應(yīng)變達(dá)到6.9%，具有非常優(yōu)異的室溫力學(xué)性能。
[0043]實(shí)施例2
[0044]采用與實(shí)施例1相同的制備方法，合金成分為Ti44A147Nb9 (原子百分比)，光學(xué)浮區(qū)定向凝固工藝為相對轉(zhuǎn)速20rpm，加熱功率55%，生長速率為2.5mm/h，真空熱處理工藝為1250°C X12h+900°C X30min/爐冷，B2相完全消除，獲得TiAl合金材料室溫拉伸屈服強(qiáng)度為550MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.0%。
[0045]實(shí)施例3
[0046]采用與實(shí)施例1相同的制備方法，合金成分為Ti51A140Nb9 (原子百分比)，光學(xué)浮區(qū)定向凝固工藝為相對轉(zhuǎn)速25rpm，加熱功率70 %，生長速率為10mm/h，真空熱處理工藝為1300°C X 20h+900°C X 30min/爐冷，B2相完全消除，獲得TiAl合金材料室溫拉伸屈服強(qiáng)度為628MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.5%。
[0047]實(shí)施例4
[0048]采用與實(shí)施例1相同的制備方法，合金成分為Ti48A143Nb9 (原子百分比)，光學(xué)浮區(qū)定向凝固工藝為相對轉(zhuǎn)速20rpm，加熱功率68 %，生長速率為15mm/h，真空熱處理工藝為1350°C X 24h+900°C X 30min/爐冷，B2相完全消除，獲得TiAl合金材料室溫拉伸屈服強(qiáng)度為660MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.2%。
[0049]實(shí)施例5
[0050]采用與實(shí)施例1相同的制備方法，合金成分為Ti48A143Nb9 (原子百分比)，光學(xué)浮區(qū)定向凝固工藝為相對轉(zhuǎn)速20rpm，加熱功率70 %，生長速率為15mm/h，真空熱處理工藝為1350°C X 12h+900°C X 30min/爐冷，B2相完全消除，獲得TiAl合金材料室溫拉伸屈服強(qiáng)度為593MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.8%。
[0051]實(shí)施例6
[0052]采用與實(shí)施例1相同的制備方法，合金成分為Ti48A146Nb6 (原子百分比)，光學(xué)浮區(qū)定向凝固工藝為相對轉(zhuǎn)速30rpm，加熱功率60 %，生長速率為20mm/h，真空熱處理工藝為1250°C X12h+900°C X 30min/爐冷，B2相未完全消除，如圖3b的XRD圖譜中12h熱處理發(fā)現(xiàn)少量B2相殘留，獲得TiAl合金材料室溫拉伸屈服強(qiáng)度為656MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.0%。
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)高塑TiAl合金材料，其特征在于，以原子百分比計(jì)，其合金成分為:(44?51)T1-(43 ?47)Al-(6 ?9)Nb0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高塑TiAl合金材料，其特征在于，所述合金通過以下方法制備: (1)電磁感應(yīng)懸浮熔煉TiAl合金母合金紐扣錠，采用重力鑄造法或吸鑄法獲得母合金棒材； (2)將母合金棒材切割為上、下棒料兩部分，分別作為光學(xué)浮區(qū)定向凝固爐的原料棒與籽晶棒；上、下棒料之間的距離為3?5mm ;通入高純氬氣作為氣氛保護(hù)，調(diào)節(jié)上、下棒料的軸向相對轉(zhuǎn)速為20?30rpm，啟動加熱，使上、下棒料的相對一端先熔化，調(diào)整上、下棒料的位置，使其相對一端逐漸接近后接合，調(diào)節(jié)功率至總功率的55?70%，當(dāng)浮區(qū)表面光滑且熔化均勻時(shí)，調(diào)節(jié)生長速率為2.5?20mm/h，開始定向凝固； (3)將制備的TiAl合金單晶棒材進(jìn)行真空熱處理；采用1250°C?1350°CX 12h?24h+900°C X30min/爐冷的熱處理工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)高塑TiAl合金材料，其特征在于，步驟(I)中所述的電磁感應(yīng)懸浮熔煉采用水冷銅i甘禍，所述的母合金棒材尺寸為Φ (4?6)mmX 120mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)高塑TiAl合金材料，其特征在于，步驟(2)中高純氬氣的流量為3?5L/min。
5.一種如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高塑TiAl合金材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)電磁感應(yīng)懸浮熔煉TiAl合金母合金紐扣錠，采用重力鑄造法或吸鑄法獲得母合金棒材； (2)將母合金棒材切割為上、下棒料兩部分，分別作為光學(xué)浮區(qū)定向凝固爐的原料棒與籽晶棒；上、下棒料之間的距離為3?5mm ;通入高純氬氣作為氣氛保護(hù)，調(diào)節(jié)上、下棒料的軸向相對轉(zhuǎn)速為20?30rpm，啟動加熱，使上、下棒料的相對一端先熔化，調(diào)整上、下棒料的位置，使其相對一端逐漸接近后接合，調(diào)節(jié)功率至總功率的55?70%，當(dāng)浮區(qū)表面光滑且熔化均勻時(shí)，調(diào)節(jié)生長速率為2.5?20mm/h，開始定向凝固； (3)將制備的TiAl合金單晶棒材進(jìn)行真空熱處理；采用1250°C?1350°CX 12h?24h+900°C X30min/爐冷的熱處理工藝。
6.如權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)高塑TiAl合金材料的制備方法，其特征在于，步驟(I)中所述的電磁感應(yīng)懸浮熔煉采用水冷銅坩堝，所述的母合金棒材尺寸為Φ(4?6)mmX 120mmo
7.如權(quán)利要求5所述的高強(qiáng)高塑TiAl合金材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中高純IS氣的流量為3?5L/min。
【文檔編號】C30B21/04GK104278173SQ201410529844
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】陳 光, 彭英博, 李沛, 鄭功, 祁志祥, 蘇翔, 王敏智 申請人:南京理工大學(xué)