專利名稱：一種定向凝固高鈮鈦鋁基合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高鈮鈦鋁基合金定向凝固的制備方 法。
背景技術(shù)：
鈦鋁基合金具有輕質(zhì)、高比強、高比剛、耐蝕、耐磨、耐高溫以及優(yōu)異的抗氧化性等 優(yōu)點，并具有優(yōu)異的常溫和高溫力學性能，使用溫度可達到700-900°C，是航空、航天工業(yè)、 兵器工業(yè)以及民用工業(yè)等領(lǐng)域的優(yōu)秀候選高溫結(jié)構(gòu)材料之一。以高鈮含量為特征的高溫鈦 鋁基合金除了上述優(yōu)點外，其高溫力學性能、抗蠕變性能及氧化性能顯著高于普通鈦鋁基 合金，提高了其使用溫度比普通鈦鋁基合金高60-100°C。高鈮鈦鋁基合金的研究已經(jīng)成為 國內(nèi)外高溫鈦鋁基合金發(fā)展的趨勢。由于鈦鋁基合金的本質(zhì)脆性，室溫塑性和熱加工性能差一直是阻礙其工業(yè)化應用 的主要原因。通常采用兩種的方法來改善鈦鋁基合金的微觀組織，進而發(fā)揮其性能潛力一 種是用熱機械處理減小片層晶粒的尺寸，此方法在熱加工過程中不僅消耗大量能源，還容 易出現(xiàn)裂紋，得到最大室溫塑性也很有限(1 2%)；另一種是采用定向凝固方法，通過利 用凝固時熱傳導方向的控制，在凝固金屬與未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，達 到控制晶體取向，消除橫向晶界，獲得材料的最佳取向性能以滿足工業(yè)應用的需要。通常對 某些轉(zhuǎn)動部件而言，發(fā)揮鈦鋁基合金的最佳取向性能與承載方向一致，是發(fā)揮材料性能優(yōu) 勢的最佳選擇。定向凝固技術(shù)能極大提高鈦鋁基合金的斷裂韌性、蠕變強度、室溫塑性等性 能，為鈦鋁基合金的擴大應用開辟了一條新道路，為今后的鈦鋁基合金定向凝固產(chǎn)品的深 加工和應用提供了更廣闊的應用前景。鈦鋁基合金，尤其是高鈮鈦鋁基合金熔點較高(接近1910K)，且合金中鈦元素為 高活性元素，在傳統(tǒng)定向凝固過程中會與絕大部分常用坩堝材質(zhì)，如氧化鋁、氧化鋯、石墨 等發(fā)生反應，導致定向凝固合金中摻入雜質(zhì)，并改變了合金的成分，而使合金定向凝固后組 織及性能發(fā)生較大偏差，而國外此類研究中所廣泛使用的氧化釔材質(zhì)的坩堝在國內(nèi)由于各 種原因還未投入商業(yè)生產(chǎn)。為了避開雜質(zhì)的影響，近年來，冷坩堝定向凝固、浮區(qū)定向凝固 包括電子束浮區(qū)、光加熱浮區(qū)等各種新型定向凝固設備相繼投入研究應用。然而這些設備 在定向凝固過程中熔區(qū)的穩(wěn)定性和均勻性很難控制，此類設備不僅造價昂貴，且大部分依 靠進口。高熔點高含量鈮的加入，使得高鈮鈦鋁合金的熔點比普通的鈦鋁基合金有較大提 高。電磁加熱的定向凝固合金凝固過程會受電磁場的干擾，而目前常用的定向凝固電阻爐 又很難長期在溫度保持在高于1900K的條件下工作，電阻在高熱時易氧化、變形造成效率 下降，極大降低了其壽命。加熱裝置及坩堝的改進促進高鈮鈦鋁基合金定向凝固的順利進 行。本發(fā)明中利用現(xiàn)有的區(qū)熔與定向凝固系統(tǒng)并進行改造，同時使用了自制的涂層坩堝，并 實現(xiàn)了無電磁場干擾下的高鈮鈦鋁基合金定向凝固。近些年來，對鈦鋁基合金的定向凝固技術(shù)方法的研究逐步得到重視，歐美、日本等國家的部分研究單位自上世紀90年代以來，不斷發(fā)表有關(guān)鈦鋁基合金定向凝固的研究 成果，H. N. Lee 在 Acta mater, 48 :3221_3233, 2000, Microstructural control through seeding and directionalsolidification of TiAl alloys containing Mo and C中將鐵 鋁基合金的室溫拉伸性能提高到2 4%，相比較鑄態(tài)而言，塑性有一定的增加，但增加的 幅度還有待進一步提高，室溫強度和高溫性能也存在著不足。國外在普通鈦鋁基合金小尺 寸定向凝固試樣的制備方面集中開展了一定研究工作，主要運用了光懸浮定向凝固技術(shù)以 及氧化釔坩堝，探索了鈦鋁包晶反應凝固途徑對組成相生長形態(tài)和取向的影響，但對于高 鈮含量鈦鋁基合金的定向凝固還沒有研究過。因此，在現(xiàn)有的設備與坩堝技術(shù)條件下，開發(fā) 出具有更高使用溫度，更好的高溫性能及高溫抗氧化性能的高鈮鈦鋁基合金定向凝固制備 方法具有非常重要的實際應用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高熔點高活性的高鈮鈦鋁基合金無磁場作用下 的定向凝固方法。通過改進區(qū)熔定向凝固系統(tǒng)和運用特制涂層坩堝，成功進行了該合金的 定向凝固，獲得的定向凝固高鈮鈦鋁合金具有非常好的表面質(zhì)量和純凈度。該加工工藝簡 單可靠，溫度控制準確，定向凝固效果顯著。一種定向凝固高鈮鈦鋁基合金的制備方法，合金材料成分(原子百分比)為 (43-49) Ti-(45-46) A1-(6-9) Nb_ (0-0. 5) (W、Mn) - (0-0. 5) (C、B) - (0-0. 5) Y 其工藝為(1)母合金熔煉用等離子電弧或真空感應懸浮爐進行熔煉，并澆鑄成錠；(2)制備內(nèi)壁涂層的高純氧化鋁陶瓷坩堝，氧化鋁坩堝尺寸為①(7-25) X 120mm, 涂層組成成份的體積百分比為(87-93) %氧化釔+(2-3) %磷酸鹽+(5-10) %膨潤土。(3)將鑄態(tài)母合金原料線切割成圓柱體(①(6-20) X 100mm)試樣，放入上述坩堝 并將其裝入改進后的區(qū)熔與定向凝固系統(tǒng)，抽真空至3X10_3Pa，再往系統(tǒng)內(nèi)充入高純氬氣 至380Pa，打開系統(tǒng)電源進行加熱，直至超過合金熔點(接近1910K)以上20-500K為止，加 熱速度為15-20K/分鐘，到溫后保溫15-30分鐘使合金充分熔化均勻。(3)開始定向凝固，通過系統(tǒng)上的PLC面板控制定向凝固速度為1-100 iim/s ；(4)定向凝固完成后，通入空氣，取出坩堝并輕輕將外層陶瓷敲碎，取出試樣并將 其表面打磨拋光即可。根據(jù)需要，在試樣底端可以引入籽晶，籽晶要求為棒狀鈦鋁基合金單晶，橫截面直 徑與母合金相同，高5-25mm，與母合金底端進行氬弧焊焊接組裝后，再進行定向凝固過程， 定向凝固完成后切除籽晶部位。如上所述改進后的區(qū)熔與定向凝固系統(tǒng)由以下部分組成1.鎢錸熱電偶、2.絕熱 板、3.高鈮鈦鋁合金、4.石墨套、5.高純氧化鋁坩堝、6.坩堝涂層、7.熱電偶保護套、8.感 應線圈、9.導熱底座、10.熱輻射擋板、11.液態(tài)金屬冷卻液、12.水冷系統(tǒng)。鎢錸熱電偶外 部設有熱電偶保護套，并插在高鈮鈦鋁合金棒心部，測量高鈮鈦鋁合金內(nèi)部溫度；高純氧化 鋁坩堝內(nèi)壁涂有惰性涂層以阻隔合金料體在高溫下與坩堝發(fā)生化學反應，高純氧化鋁坩堝 應安裝在石墨套內(nèi)部并保持與之同心位置；絕熱板設在石墨套外，可以保證凝固系統(tǒng)內(nèi)的 恒溫環(huán)境，促使柱狀晶沿軸向生長；感應線圈設在絕熱板外圍，并對絕熱板內(nèi)部的石墨套進 行感應加熱；位于石墨套下部的熱輻射擋板防止輻射的熱量流失，保持凝固系統(tǒng)內(nèi)的恒溫環(huán)境并增加凝固系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)的溫度差以提高溫度梯度；與合金底端接觸的導熱底座在 定向凝固過程中起到固定坩堝及單導熱的作用，使合金沿軸向向上凝固；液態(tài)金屬直接冷 卻導熱底座與坩堝，導熱效率高，水冷系統(tǒng)對液態(tài)金屬進行冷卻。改進后的區(qū)熔與定向凝固系統(tǒng)的特征還包括(1)將原區(qū)熔系統(tǒng)單匝感應線圈改為多匝線圈，并在感應線圈與坩堝之間安置石 墨套，屏蔽磁場對凝固過程的影響，并通過感應線圈加熱石墨套，為高鈮鈦鋁合金提供穩(wěn)定 的高溫熱源；坩堝外壁與石墨套內(nèi)壁相距2-3mm，如距離較遠則石墨套對坩堝內(nèi)合金的熱 輻射很難滿足定向凝固時的高溫需要，較近容易使石墨套與坩堝間發(fā)生還原反應粘結(jié)坩 堝，造成定向凝固無法進行；(2)在石墨套屏蔽磁場干擾的條件下，采用鎢錸熱電偶對合金及熔體進行測溫，控 制升溫速度及定向凝固前熔體過熱度；(3)液態(tài)金屬冷卻液采用Ga-In-Sn合金液。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點本發(fā)明提出的高鈮鈦鋁基合金定向凝固工藝能極 大地提高該合金的室溫性能，有其它方法無法比擬的優(yōu)勢，同時由于其具有比普通鈦鋁合 金更高的使用溫度與更好的高溫性能，使其具有廣闊的工業(yè)化應用前景。母合金熔煉時采 用真空感應或等離子電弧熔煉可以降低雜質(zhì)含量，對塑性有利。此合金具有較高的熔點，并 含高活性鈦，不適合用普通定向凝固電阻爐進行定向凝固，本發(fā)明通過運用改進的區(qū)熔定 向凝固系統(tǒng)，成功的制備了定向凝固高鈮鈦鋁基合金，消除了磁場對凝固過程的影響，并對 整個過程進行準確的溫度控制，所使用的涂層坩堝與合金熔體間不發(fā)生反應，使定向凝固 后合金表面質(zhì)量好，無雜質(zhì)摻入。該工藝使用設備簡單，成本低，定向凝固效果顯著，具有普 遍適用性和推廣價值。


圖1是定向凝固高鈮鈦鋁基合金制備工藝簡圖；圖2是改進區(qū)熔定向凝固系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)示意圖(1.鎢錸熱電偶，2.絕熱板，3.高 鈮鈦鋁合金，4.石墨套，5.高純氧化鋁坩堝，6.坩堝涂層，7.熱電偶保護套，8.感應線圈， 9.導熱底座，10.熱輻射擋板，11.液態(tài)金屬冷卻液，12.水冷系統(tǒng)。)；圖3是定向凝固45Ti-45Al-9Nb-0. 5W~0. 25B-0. 25Y(原子百分比)合金縱向背散 射電子顯微組織示例1(圖中晶體的生長速度為100 ym/s，生長方向水平向右，顯微組織呈 兩相競爭的枝晶狀形貌生長)；圖4是圖3中合金的橫截面組織；圖5是定向凝固48. 9Ti-45Al-6Nb-0. IB(原子百分比)合金縱向背散射電子顯微 組織示例2(圖中晶體的生長速度為200i!m/S，生長方向水平向右，顯微組織呈0相領(lǐng)先的 枝晶狀形貌生長)；圖6是圖5中合金的橫截面組織；圖7是定向凝固45Ti-45Al-9Nb-0. 5W-0. 25B-0. 25Y (原子百分比)合金晶體生長 前沿淬火后縱向背散射電子顯微組織示例(圖中晶體的生長速度為lOOym/s，生長方向水 平向右)；
具體實施例方式運用等離子電弧熔煉或真空懸浮熔煉將成分比(原子百分比)為(43-49)Ti-(45-46) Al-(6-9) Nb-(0-0. 5) (W、Mn)-(0_0· 5) (C、B)-(0_0. 5) Y 的母合金鑄造成錠，而后 線切割成圓柱體(Φ (6-20) X 100mm)試樣后進行定向凝固，具體實施方式
如下實施例1將成分為45Ti-45Al-9Nb-0. 5ff-0. 25B-0. 25Y (原子百分比)的圓柱體 (Φ6X 100mm)母合金棒狀試樣表面進行打磨，去除表面的氧化層及雜質(zhì)，而后裝入涂層后 尺寸為Φ6Χ 120mm的高純氧化鋁坩堝中，涂層成份的體積百分比為90%氧化釔+3%磷酸 鈉+7%膨潤土。將坩堝堅直安放在改進區(qū)熔定向凝固系統(tǒng)內(nèi)的抽拉桿底座上，關(guān)閉真空室 并抽真空至3X 10_3Pa后，再充入高純氬氣到380Pa ；打開電源，以18K/min的升溫速度將合 金加熱至1950K并保溫15分鐘，保證熔體充分熔化并受熱均勻；設定PLC控制面板中的定 向凝固速度為ΙΟΟμπι/s，保持電源功率不變開始抽拉；待試樣拉伸IOOmm后，關(guān)閉電源待爐 內(nèi)冷卻后，通入空氣并打開真空室取出坩堝，輕輕敲碎坩堝，取出試樣，并對其表面進行打 磨處理即可。實施例2將成分為44. 5Τ -46Α1-8. 5Nb_0. 5Μη_0· 25Β-0. 25Υ (原子百分比)的圓柱體 (Φ 10 X 100mm)母合金棒狀試樣表面進行打磨，去除表面的氧化層及雜質(zhì)，而后裝入涂層后 尺寸為Φ10Χ120πιπι的高純氧化鋁坩堝中，涂層成份的體積百分比為87%氧化釔+3%磷 酸鈉+10%膨潤土。將坩堝堅直安放在改進區(qū)熔定向凝固系統(tǒng)內(nèi)的抽拉桿底座上，關(guān)閉真空 室并抽真空至3 X 10_3Pa后，再充入高純氬氣到380Pa ；打開電源，以18K/min的升溫速度將 合金加熱至2410K并保溫15分鐘，保證熔體充分熔化并受熱均勻；設定PLC控制面板中的 定向凝固速度為2ym/s，保持電源功率不變開始抽拉；待試樣拉伸IOOmm后，關(guān)閉電源待爐 內(nèi)冷卻后，通入空氣并打開真空室取出坩堝，輕輕敲碎坩堝，取出試樣，并對其表面進行打 磨處理即可。實施例3將籽晶為54Ti-43Al_3Si (原子百分比)的單晶試樣線切割成橫截面直徑為 Φ20mm、高20mm的棒狀作為籽晶，用氬弧焊將其焊接在成分為48. 9Ti_45Al-6Nb_0. IB (原 子百分比)的圓柱體(Φ20Χ100πιπι)母合金棒狀試樣的底端，組裝完成后，表面進行打磨以 去除表面的氧化層及雜質(zhì)，而后裝入涂層后尺寸為Φ20Χ 120mm的高純氧化鋁坩堝中，涂 層成份的體積百分比為92%氧化釔+2%磷酸鈉+6%膨潤土。將坩堝堅直安放在改進區(qū)熔 定向凝固系統(tǒng)內(nèi)的抽拉桿底座上，調(diào)整初始拉伸桿位置，使籽晶焊接處進入石墨套底端同 一水平面位置上方5mm，關(guān)閉真空室并抽真空至3 X 10_3Pa后，再充入高純氬氣到380Pa。打 開電源，以20K/min的升溫速度將合金加熱至1980K并保溫30分鐘，保證熔體充分熔化并 受熱均勻；設定PLC控制面板中的定向凝固速度為20 μ m/s，保持電源功率不變開始抽拉； 待試樣拉伸IOOmm后，關(guān)閉電源待爐內(nèi)冷卻后，通入空氣并打開真空室取出坩堝，輕輕敲碎 坩堝，取出試樣，并對其表面進行打磨處理后，沿裝有籽晶的頭部切除25mm后即可。
權(quán)利要求
一種定向凝固高鈮鈦鋁基合金的制備方法，其特征在于合金成分原子百分比為(43-49)Ti-(45-46)Al-(6-9)Nb-(0-0.5)(W、Mn)-(0-0.5)(C、B)-(0-0.5)Y，生產(chǎn)工藝為(1)母合金熔煉用等離子電弧或真空感應懸浮爐進行熔煉，并澆鑄成錠；(2)制備內(nèi)壁涂層的高純氧化鋁陶瓷坩堝，氧化鋁坩堝尺寸為Φ(7-25)×120mm，涂層組成成份的體積百分比為(87-93)％氧化釔+(2-3)％磷酸鹽+(5-10)％膨潤土；(3)將鑄態(tài)母合金原料線切割成圓柱體(Φ(6-20)×100mm)試樣，放入上述坩堝并將其裝入改進后的區(qū)熔與定向凝固系統(tǒng)，抽真空至3×10-3Pa，再往系統(tǒng)內(nèi)充入高純氬氣至380Pa，打開系統(tǒng)電源進行加熱，直至超過合金熔點20-500K為止，即1930K-2410K，加熱速度為15-20K/分鐘，到溫后保溫15-30分鐘使合金充分熔化均勻；(3)開始定向凝固，通過區(qū)域與定向凝固系統(tǒng)上的PLC面板控制定向凝固速度為1-100μm/s；(4)定向凝固完成后，通入空氣，取出坩堝并輕輕將外層陶瓷敲碎，取出試樣并將其表面打磨拋光即得到定向凝固高鈮鈦鋁基合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固高鈮鈦鋁基合金制備方法，其特征是根據(jù)需要， 在試樣底端引入籽晶，籽晶要求為棒狀鈦鋁基合金單晶，橫截面直徑與母合金相同，高 5-25mm，與母合金底端進行氬弧焊焊接組裝后，再進行定向凝固過程，定向凝固完成后切除 籽晶部位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向凝固高鈮鈦鋁基合金制備方法，其特征是改后的進區(qū)熔 與定向凝固系統(tǒng)由鎢錸熱電偶(1)、絕熱板(2)、高鈮鈦鋁合金(3)、石墨套(4)、高純氧化鋁 坩堝(5)、坩堝涂層(6)、熱電偶保護套(7)、感應線圈(8)、導熱底座(9)、熱輻射擋板(10)、 液態(tài)金屬冷卻液(11)、水冷系統(tǒng)(12)組成；鎢錸熱電偶外部設有熱電偶保護套，并插在高 鈮鈦鋁合金棒心部，測量高鈮鈦鋁合金內(nèi)部溫度；高純氧化鋁坩堝內(nèi)壁涂有惰性涂層以阻 隔合金料體在高溫下與坩堝發(fā)生化學反應；高純氧化鋁坩堝安裝在石墨套內(nèi)部并保持與之 同心位置；絕熱板設在石墨套外，保證凝固系統(tǒng)內(nèi)的恒溫環(huán)境，促使柱狀晶沿軸向生長；感 應線圈設在絕熱板外圍，并對絕熱板內(nèi)部的石墨套進行感應加熱；位于石墨套下部的熱輻 射擋板防止輻射的熱量流失，保持凝固系統(tǒng)內(nèi)的恒溫環(huán)境并增加凝固系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)的溫 度差以提高溫度梯度；與合金底端接觸的導熱底座在定向凝固過程中起到固定坩堝及單導 熱的作用，使合金沿軸向向上凝固；液態(tài)金屬冷卻液直接冷卻導熱底座與坩堝，水冷系統(tǒng)對 液態(tài)金屬冷卻液進行冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改后的進區(qū)熔與定向凝固系統(tǒng)，其特征是將原區(qū)熔系統(tǒng)單匝 感應線圈改為多匝線圈，并在感應線圈與坩堝之間安置石墨套，屏蔽磁場對凝固過程的影 響，并通過感應線圈加熱石墨套，為高鈮鈦鋁合金提供穩(wěn)定的高溫熱源；坩堝外壁與石墨套 內(nèi)壁相距2-3mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改后的進區(qū)熔與定向凝固系統(tǒng)，其特征是在石墨套屏蔽磁場 干擾的條件下，采用鎢錸熱電偶對合金及熔體進行測溫，控制升溫速度及定向凝固前熔體 過熱度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的改后的進區(qū)熔與定向凝固系統(tǒng)，其特征是液態(tài)金屬冷卻液采 用Ga-In-Sn合金液。
全文摘要
一種定向凝固高鈮鈦鋁基合金的制備方法，屬于金屬材料制備領(lǐng)域。高鈮鈦鋁基合金由Ti、Al、Nb、W、Mn、C、B、Y組成，其原子百分比為(43-49)Ti-(45-46)Al-(6-9)Nb-(0-0.5)(W、Mn)-(0-0.5)(C、B)-(0-0.5)Y，采用等離子電弧或真空懸浮熔煉的鑄態(tài)母合金棒為原料，以氧化釔為主要成份涂層后的高純氧化鋁陶瓷管為坩堝，以Ga-In-Sn合金液為冷卻液，利用改進后的區(qū)熔與定向凝固系統(tǒng)，成功制備了定向凝固高鈮鈦鋁基合金。該加工工藝簡單可靠，定向凝固效果顯著，具有普遍適用性。利用該定向凝固方法制備的高鈮鈦鋁基合金具有綜合好的高溫性能和室溫塑性，在高溫結(jié)構(gòu)材料方面具有廣闊的應用前景。
文檔編號B22D27/20GK101875106SQ200910238430
公開日2010年11月3日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者丁賢飛, 葉豐, 張來啟, 林均品, 王皓亮, 王艷麗, 陳國良 申請人:北京科技大學