專利名稱：一種鈦鋁鈮合金片層組織方向控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫合金組織控制研究技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈦鋁鈮合金片層組織方向控制方法。
背景技術(shù)：
包晶合金是應(yīng)用非常廣泛的工程合金，許多重要的工程材料在制備時都存在著包晶反應(yīng)，因此引起了研究者的極大關(guān)注。鈦鋁合金作為一種典型的包晶合金，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(xué)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。高鈮含量的鈦鋁合金因其具有更優(yōu)異的高溫性能、抗氧化性能和抗蠕變性能而受到廣泛的關(guān)注，它是最有工程應(yīng)用前景的鈦鋁合金。鈦鋁基合金雖具有較多優(yōu)異的性能，但這類材料具有本質(zhì)脆性，一般難以加工，阻礙了其實用化。許多學(xué)者試圖通過獲取鈦鋁合金的定向凝固組織，使其最佳取向性能與承載方向一致，獲取好的綜合力學(xué)性能。定向凝固(directional solidification-DS)技術(shù)是通過利用凝固時熱傳導(dǎo)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，達到控制凝固過程及凝固路徑，并控制晶體取向，消除橫向晶界，獲得柱狀晶組織或特定的片層方向的目的，從而提高其斷裂韌性、蠕變強度、塑性等其它力學(xué)性能。定向凝固鈦鋁合金有望取代定向凝固鎳基高溫合金，成為航空發(fā)動機葉片的理想候選材料。對定向凝固鈦鋁合金片層顯微組織的控制已成為國內(nèi)外研究熱點。目前國內(nèi)外研究者主要是通過籽晶法來控制定向凝固鈦鋁合金片層組織方向的，這種方法可以獲取片層取向與生長方向一致的多孿晶合成晶體(PST)。籽晶法首先選擇先凝固相為a相的鈦鋁母合金制備籽晶。當先凝固相為a相時，定向凝固后的片層組織擇優(yōu)方向垂直于生長方向，Johnson D R 在 ActaMaterialia, 45(6) :2523-2533,1997,Alignment of the TiAl/Ti3Al lamellar microstructure in TiAlalloys by growthfrom a seed material中通過切取籽晶塊并旋轉(zhuǎn)90°后進行籽晶定向凝固，并控制高的溫度梯度G和適當抽拉速度V，使高溫a相以平面形態(tài)繼續(xù)生長從而獲得了 PST晶體。這種方法的缺陷在于制備工藝復(fù)雜，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。近年來，由于先凝固P相多元鈦鋁合金系工程化應(yīng)用的發(fā)展，國內(nèi)外研究者迫切想通過非籽晶法直接控制鈦鋁合金定向凝固過程來達到控制片層組織方向的目的。作為包晶合金的鈦鋁合金在定向凝固過程中，當初生相為@相時，在G/V比率較低的情況下，初生P相會以枝晶形貌生長。包晶a相首先通過包晶反應(yīng)在液相與0相的界面上形核并長大，繼而包圍P相阻隔其與液相的接觸，然后a相向內(nèi)消耗P相，向外消耗液相而成長，這就是包晶相變，初生3相通常只有部分通過包晶轉(zhuǎn)變形成包晶相a，剩余的 ^ 發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變 P — a。Dobler S 等在 ActaMaterialia, 52(9) : 2795-2808，2004，Peritectic coupled growth中指出，在固態(tài)轉(zhuǎn)變0 — a過程中，同一個位向的0枝晶內(nèi)部可產(chǎn)生多個不同位向的a變體。而在全片層鈦鋁合金中片層a 2和Y從高溫a相中析出，所以在包晶反應(yīng)過程中，如果能使初生P相全部轉(zhuǎn)變?yōu)榘相，就可能會消除不同方向的a變體的產(chǎn)生，就能控制其片層方向。因此，通過定向凝固技術(shù)使鈦鋁鈮合金發(fā)生完全包晶反應(yīng)，以獲得性能優(yōu)越的片層組織，是直接控制鈦鋁合金定向凝固片層取向的新方法，對提高鈦鋁合金的性能具有非常重要的意義，促進了定向凝固鈦鋁合金的工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過改變定向凝固條件，提供一種利用完全包晶轉(zhuǎn)變有效控制鈦鋁鈮合金片層組織方向的方法。具體是一種鈦鋁鈮合金片層組織方向控制方法，采用鈦鋁鈮合金原子百分比為(46-53)Ti- (45-46)A1- (2_8)Nb，用普通的&'idgman定向凝固系統(tǒng)進行鈦鋁鈮合金片層組織方向控制，通過改變凝固條件包括溫度梯度G和抽拉速度V促使鈦鋁鈮合金發(fā)生完全包晶反應(yīng)，使得初生3相枝晶在凝固過程中被完全溶解，消除其對合金組織可能帶來的不利影響從而達到了控制合金片層取向的目的。 本發(fā)明是將原子百分比為(46-53) Ti- (45-46) Al- (2-8) Nb成分的原材料進行熔煉，形成母合金錠，然后切割成圓柱形合金棒試樣用Bridgman定向凝固系統(tǒng)進行定向凝固，具體方法如下
(1)對于所述成分范圍的鈦鋁鈮合金試樣進行定向凝固，溫度梯度G為IO3KATlO4 K/m,保溫時間均為5 15min,抽拉速度在5 y m/s 200 u m/s之間；持續(xù)抽拉，當試樣定向凝固生長達到總長度的二分之一位置時，啟動快淬裝置對試樣進行快淬處理；
(2)將上述步驟得到的合金棒進行線切割并用相關(guān)技術(shù)手段對組織進行分析；觀察分析步驟(I)各試樣中初生P相枝晶的生長規(guī)律及其形貌以及尺寸與體積分數(shù)隨定向凝固參數(shù)的變化規(guī)律，以及各試樣的Nb含量對初生3相枝晶生長形態(tài)和特征的影響；最后總結(jié)得到各試樣發(fā)生包晶反應(yīng)的程度。進一步的，實驗所控制的溫度梯度G的范圍為IO3 K/nTlO4 K/m，抽拉速度V的范圍為 5 u m/s 200 u m/so進一步的，對于特定成分的鈦鋁鈮合金，即在(46-53) Ti- (45-46) Al- (2-8) Nb這個范圍內(nèi)的某一個鈦鋁鈮成分確定的合金，調(diào)節(jié)凝固條件溫度梯度G和抽拉速度V至Al當量接近相圖的包晶點成分時，合金能夠發(fā)生完全包晶反應(yīng)。進一步的，在溫度梯度和抽拉速度為確定值的條件下，對于(46-53) Ti- (45-46)Al- (2-8)Nb合金通過調(diào)節(jié)鋁和鈮的含量，使合金成分接近包晶點時，更容易獲得完全包晶反應(yīng)。進一步的，所述步驟I)中，持續(xù)抽拉，直到試樣定向凝固生長到45_長度位置時，對試樣進行快淬處理。所述快淬處理是啟動快淬處理裝置，使試樣瞬間拉進鎵銦冷卻液里，是一種快速冷卻方法，目的是為了保留高溫的固液界面。所述步驟(I)是在當真空度達到10_3Pa 10_4Pa之后，通入惰性保護氣體使真空度達到-0. 07 -0. 05MPa,隨后送電加熱，使溫度升高到鈦鋁合金熔點以上的條件下進行的。進一步的，所述步驟(I)是在當真空度達到5xlO_3Pa后，通入保護氣體高純氬氣使真空度達到-0. 07 -0. 05MPa,隨后送電加熱，使溫度升高到鈦鋁合金熔點以上的條件下進行的。所述步驟2中的相關(guān)技術(shù)手段為一些顯微組織分析方法，例如光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)的背散射電子模式(BSE)對先凝固P相枝晶進行分析，利用場發(fā)射電鏡(FEM)分析淬火區(qū)包晶相沿生長方向和垂直于定向凝固方向上的生長情況，利用電子探針(EPMA )分析包晶相變過程中各元素的分布變化規(guī)律，采用透射電鏡(TEM)分析相結(jié)構(gòu)，采用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)分析包晶相變過程的晶粒大小與晶體取向，X射線能譜(EDS)分析相成分，X射線衍射(XRD)進行相分析，利用OM和SEM檢驗定向凝固高Nb-TiAl合金片層組織。進一步的，所述方法是將原子百分比為(46-53)Ti- (45-46)Al- (2_8)Nb成分的原材料進行熔煉，形成母合金錠，然后切割成①(6-10) xlOOmm的合金棒試樣用Bridgman定向凝固系統(tǒng)進行定向凝固。
所述步驟(I)中對試樣微觀組織特征進行觀察分析發(fā)現(xiàn)(I)部分試樣在背散射電子顯微鏡下室溫組織中看到有不同程度的P偏，片層方向與生長方向存在夾角數(shù)目較多，這說明凝固過程中P枝晶沒有完全反應(yīng)熔解，在隨后的固態(tài)相變中導(dǎo)致多個a變體的產(chǎn)生，即試樣沒發(fā)生完全包晶反應(yīng)，合金片層取向沒能得到有效控制。(2)少數(shù)試樣中僅有相當少量的P偏析，這說明只有少量的初生P相枝晶在高溫時沒有溶解，合金發(fā)生了近似完全包晶反應(yīng)。(3)個別試樣在常溫下看不到P偏析，片層方向與生長方向存在夾角數(shù)目最少，這說明試樣發(fā)生了完全包晶反應(yīng)，有效控制了鈦鋁鈮合金片層組織方向。由此可見在試樣成分相同的情況下通過適當調(diào)整凝固參數(shù)，能夠促使合金發(fā)生完全包晶反應(yīng)，達到控制片層結(jié)構(gòu)優(yōu)化合金組織提高材料性能的目的。所述步驟(2)中對試樣微觀組織進行比對分析發(fā)現(xiàn)對于某些試樣也完全消除了^偏析，合金發(fā)生了完全包晶反應(yīng)，片層得到了有效控制，獲得了 PST晶粒。由此說明，在凝固參數(shù)不變的情況下，通過適當調(diào)整合金成分，同樣能夠促使合金發(fā)生完全包晶反應(yīng)，達到控制片層的目的。本發(fā)明的特色之處在于用定向凝固技術(shù)控制鈦鋁鈮合金發(fā)生完全包晶反應(yīng)，控制先凝固相P繼而優(yōu)化高溫包晶相a，達到控制室溫片層取向，優(yōu)化組織的目的，以此方式提升鈦鋁合金的性能并拓展其應(yīng)用。本申請率先通過控制定向凝固過程中的包晶轉(zhuǎn)變，有效的控制了片層取向。


圖I為P先凝固鈦鋁合金系定向凝固過程中的普通包晶結(jié)構(gòu)簡圖。初生P相會 以枝晶形貌生長。包晶a相首先通過包晶反應(yīng)在液相與P相的界面上形核并長大，繼而包圍P相阻隔其與液相的接觸，然后a相向內(nèi)消耗P相，向外消耗液相L而成長。圖2為本發(fā)明合金定向凝固過程中深過冷區(qū)淬火背散射電子顯微組織。圖3為本發(fā)明合金試樣定向凝固縱切面組織圖。圖4為本發(fā)明合金試樣定向凝固橫切面組織圖。圖5為Ti-46Al_5Nb合金試樣的縱截面顯微組織圖。圖6為Ti-45Al_8Nb合金試樣片層組織圖。
具體實施例方式用等離子電弧或真空感應(yīng)熔煉對原子比為(46-53) Ti- (45-46) Al- (2_8)Nb成分的若干原料合金進行熔煉，并澆鑄成母合金錠，將母錠從金屬鑄型中取出，經(jīng)線切割和粗車外圓周表面得到規(guī)則合金錠，并從邊緣切取O (6-10) xlOOmm的細圓柱體棒材，對試樣表面進行打磨去除表面的氧化層及雜質(zhì)，然后裝入坩堝，再將其裝入有高純氬氣保護的Bridgman定向凝固系統(tǒng)中進行定向凝固實驗。實施例I
研究成分為Ti-46Al-5Nb(49Ti-46Al-5Nb)的合金，實驗采用典型的Bridgman方法，當真空度達到5xlO_3Pa后，通入保護氣體高純氬氣使真空度達到-0. 068MPa,隨后送電加熱，使溫度升高到鈦鋁合金熔點以上，保溫8分鐘，然后以30 y m/s的速度抽拉，該實驗條件下G=5. 2X IO3 K/m，當抽拉長度為試樣長度的二分之一時，啟動快淬裝置，保留該抽拉速率下的固液界面形態(tài)。然后從定向凝固試樣上切取試樣進行顯微組織觀察，對先凝固3相枝晶 生長狀況、淬火區(qū)包晶相沿生長方向和垂直于定向凝固方向上的生長情況、包晶相變過程的晶粒大小與晶體取向等進行分析，發(fā)現(xiàn)其組織發(fā)生完全包晶轉(zhuǎn)變，如圖5所示，該組織發(fā)生了完全包晶反應(yīng)，片層取向得到控制，與生長方向完全一致；成功地獲得了片層組織與生長方向平行的定向凝固組織。圖I為P先凝固鈦鋁合金系定向凝固過程中的普通包晶結(jié)構(gòu)簡圖。初生P相會以枝晶形貌生長。包晶a相首先通過包晶反應(yīng)在液相與P相的界面上形核并長大，繼而包圍P相阻隔其與液相的接觸，然后a相向內(nèi)消耗P相，向外消耗液相L而成長。圖2為本發(fā)明合金定向凝固過程中深過冷區(qū)淬火背散射電子顯微組織。此圖顯示凝固過程中的一般規(guī)律。線I表示為包晶轉(zhuǎn)變前的位置，在線I前后，初生相P體積分數(shù)相對穩(wěn)定；線2為相區(qū)L+0 + a的中線,故其位置應(yīng)處在包晶轉(zhuǎn)變中；線3確定為包晶轉(zhuǎn)變后，因為包晶轉(zhuǎn)變的終點通常定義在液相完全消失時。由于淬火過程中枝晶上的P和包晶轉(zhuǎn)變剩余的3都會發(fā)生P — a轉(zhuǎn)變，致使白色0偏析在0內(nèi)部形成，所以在淬火的BSE顯微組織圖上才能確定未溶的P相區(qū)域。圖3為本發(fā)明合金試樣定向凝固縱切面組織圖。該圖顯示了片層能夠跨越各個樹枝晶而保持取向不發(fā)生變化，為包晶反應(yīng)能夠控制片層取向提供了實驗依據(jù)。圖4為本發(fā)明合金試樣定向凝固橫切面組織圖。從該圖仍能看出片層跨越各個晶粒而保持取向不發(fā)生變化。實施例2
研究成分為Ti-45Al-8Nb(W，B，Y) (47Ti-45Al-8Nb)的鈦鋁合金，實驗采用典型的Bridgman方法，當真空度達到5xlO_3Pa后，通入保護氣體高純氬氣使真空度達到-0. 06MPa,隨后送電加熱，使溫度升高到鈦鋁合金熔點以上，保溫10分鐘，然后以IOy m/s的速度抽拉，該實驗條件下G=3. 8 X IO3 K/m,當抽拉長度為試樣長度的二分之一時，啟動快淬裝置，保留該抽拉速率下的固液界面形態(tài)。待系統(tǒng)冷卻至室溫后，取出試樣并多表面進行打磨處理，從定向凝固試樣上切取試樣進行顯微組織觀察，對先凝固3相枝晶生長狀況、淬火區(qū)包晶相沿生長方向和垂直于定向凝固方向上的生長情況、包晶相變過程的晶粒大小與晶體取向等進行分析，發(fā)現(xiàn)其組織發(fā)生完全包晶轉(zhuǎn)變，如圖6所示，由于在凝固過程中發(fā)生了完全包晶反應(yīng)，片層組織得到了很好的控制。
實施例3
研究成分為Ti-46Al-2Nb (52Ti-46Al-2Nb)的鈦鋁合金，實驗采用典型的Bridgman方法，當真空度達到5xlO_3Pa后，通入保護氣體高純氬氣使真空度達到-0. 05MPa,隨后送電加熱，使溫度升高到鈦鋁合金熔點以上，保溫15分鐘，然后以100 u m/s的速度抽拉，該實驗條件下G=7. 7 X IO3 K/m,當抽拉長度為45mm時，啟動快淬裝置，保留該抽拉速率下的固液界面形態(tài)。待系統(tǒng)冷卻至室溫后，取出試樣并多表面進行打磨處理，從定向凝固試樣上切取試樣進行顯微組織觀察，對先凝固3相枝晶生長狀況、淬火區(qū)包晶相沿生長方向和垂直于定向凝固方向上的生長情況、包晶相變過程的晶粒大小與晶體取向等進行分析，發(fā)現(xiàn)其組織發(fā)生完全包晶轉(zhuǎn)變，
實施例4
研究成分為Ti-46Al-7Nb (4Hi-46Al-7Nb)的鈦鋁合金，實驗采用典型的Bridgman方法，當真空度達到5xlO_3Pa后，通入保護氣體高純氬氣使真空度達到-0. 07 -0. 05MPa,隨后送電加熱，使溫度升高到鈦鋁合金熔點以上，保溫10分鐘，然后以150 u m/s的速度抽拉，該實驗條件下G=9. 4X IO3 K/m,當抽拉長度為45mm時，啟動快淬裝置，保留該抽拉速率下的固液界面形態(tài)。待系統(tǒng)冷卻至室溫后，取出試樣并多表面進行打磨處理，從定向凝固試樣上切取試樣進行顯微組織觀察，對先凝固3相枝晶生長狀況、淬火區(qū)包晶相沿生長方向和垂直于定向凝固方向上的生長情況、包晶相變過程的晶粒大小與晶體取向等進行分析，發(fā)現(xiàn)其組織發(fā)生完全包晶轉(zhuǎn)變。權(quán)利要求
1.一種鈦鋁鈮合金片層組織方向控制方法，其特征在于采用鈦鋁鈮合金原子百分比為(46-53) Ti- (45-46) Al- (2_8) Nb，用普通的Bridgman定向凝固系統(tǒng)進行鈦鋁鈮合金片層組織方向控制，通過改變凝固條件包括溫度梯度G和抽拉速度V促使鈦鋁鈮合金發(fā)生完全包晶反應(yīng)，使得初生β相枝晶在凝固過程中被完全溶解，消除其對合金組織可能帶來的不利影響從而達到了控制合金片層取向的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述鈦鋁鈮合金片層組織方向控制方法包括如下步驟 (1)對于所述成分范圍的鈦鋁鈮合金棒試樣進行定向凝固，溫度梯度G為IO3Κ/πΓ Ο4K/m,保溫時間均為5 15min,抽拉速度V在5 μ m/s 200 μ m/s之間；持續(xù)抽拉,當試樣定向凝固生長達到總長度的二分之一位置時，啟動快淬裝置對試樣進行快淬處理； (2)將上述步驟得到的合金棒進行線切割并用相關(guān)技術(shù)手段對組織進行分析；觀察分析步驟(I)各試樣中初生β相枝晶的生長規(guī)律及其形貌以及尺寸與體積分數(shù)隨定向凝固參數(shù)的變化規(guī)律，以及各試樣的Nb含量對初生β相枝晶生長形態(tài)和特征的影響；最后總結(jié)得到各試樣發(fā)生包晶反應(yīng)的程度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟(I)是在當真空度達到10-3Pa 10_4Pa之后，通入惰性保護氣體使真空度達到-O. 07 -O. 05MPa,隨后送電加熱，使溫度升高到鈦鋁合金熔點以上的條件下進行的，實驗所控制的溫度梯度G的范圍為IO3K/m^l04K/m,抽拉速度V的范圍為5ym/s 200 μ m/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求Γ3中任一項所述的方法，其特征在于對于特定成分的鈦鋁鈮合金，即在(46-53)Ti- (45-46)Al- (2_8)Nb這個范圍內(nèi)的某一個鈦鋁鈮成分確定的合金，調(diào)節(jié)凝固條件溫度梯度G和抽拉速度V至Al當量接近相圖的包晶點成分時，合金能夠發(fā)生完全包晶反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于在溫度梯度和抽拉速度為確定值的條件下，對于(46-53) Ti- (45-46) Al- (2_8) Nb合金通過調(diào)節(jié)鋁和鈮的含量，使合金成分接近包晶點時，更容易獲得完全包晶反應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于所述步驟I)中，持續(xù)抽拉，直到試樣定向凝固生長到45mm長度位置時，對試樣進行快淬處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述步驟(I)是在當真空度達到5xlO_3Pa后，通入保護氣體高純氬氣使真空度達到-O. 07 -O. 05MPa,隨后送電加熱，使溫度升高到鈦鋁合金熔點以上的條件下進行的。
全文摘要
一種鈦鋁鈮合金片層組織方向控制方法，屬于高溫合金組織控制研究技術(shù)領(lǐng)域。該方法是基于完全包晶轉(zhuǎn)變過程的鈦鋁合金組織控制方法。運用定向凝固技術(shù)，通過改變凝固條件(溫度梯度G和抽拉速度V)，控制合金發(fā)生完全包晶反應(yīng)，使初生β相枝晶在凝固過程中被完全溶解，消除這種β相對合金組織可能帶來的不利影響，從而達到控制片層組織方向的目的。該方法只需要在普通的Bridgman定向凝固系統(tǒng)中即可實現(xiàn)，克服了籽晶法制備工藝復(fù)雜，成分和性能不均勻的缺陷，是通過非籽晶法直接控制鈦鋁鈮合金定向凝固片層取向的新方法，對提高鈦鋁合金的性能具有非常重要的意義，促進了定向凝固鈦鋁合金的工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號B22D27/20GK102672150SQ20121014845
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者丁賢飛, 葉豐, 張黎偉, 林均品, 王永勝, 程芳 申請人:北京科技大學(xué)