本發(fā)明屬于高溫合金領域，特別是涉及一種取向增強的含鎢高鈮鈦鋁合金及其制備方法。

背景技術：

隨著航空航天、汽車等工業(yè)領域的發(fā)展，人們在追求更高效率和更高性能時通常會受到材料性能極限的制約，無法進一步滿足對材料性能的要求。因此，新型材料的開發(fā)和利用已經迫在眉睫。在高溫合金領域，高溫金屬間化合物具有低的密度、高的熔點、比強度和高溫強度以及良好的抗氧化性和抗蠕變性等優(yōu)點。因此，高溫金屬間化合物的出現(xiàn)使人們看到了新的希望。人們希望通過對高溫金屬間化合物的研究來發(fā)掘更高效率和更高性能的潛力。因此，高溫金屬間化合物的研究已成為近年來材料科學中一個十分活躍的研究方向。

在高溫金屬間化合物中，TiAl基合金由于晶體中含有金屬鍵與共價鍵，使其有可能同時兼有金屬和陶瓷的力學性能，以及由此產生低的密度、高的剛度、比強度、比模量、高溫強度及良好的抗氧化性和抗蠕變性等優(yōu)點。因此，TiAl基合金被認為是一種能代替鐵合金和鎳基合金的在航天航空及汽車等其他工業(yè)領域中極具應用潛力的高溫結構材料。

在TiAl基合金中，δ-TiA1₃基合金由于固溶范圍太窄，因此在室溫時的塑性差，難以機械加工。α₂-Ti₃A1基合金存在著結構不穩(wěn)定以及在惡劣環(huán)境和循環(huán)載荷下開裂的問題。因此，目前研究焦點主要集中在γ-TiAl基合金的研究和開發(fā)上。這類合金一般含有15％的α₂-Ti₃A1，為雙相結構。因此，與α₂-Ti₃A1相比，該合金具有更低的密度、更高的強度和良好的抗氧化性。但由于該合金的室溫脆、塑性較差、高溫下抗氧化性不足等缺點，從而限制了其在實際中的廣泛應用。

γ-TiAl基合金中所面臨的問題是如何通過控制合金成分和顯微組織改善其綜合力學性能，以及如何以比較簡單的工藝途徑實現(xiàn)這一目標。其中顯微組織是影響γ-TiAl基合金力學性能的主要因素。研究表明，具有細小均勻的片層組織且片層組織全部平行于定向凝固的優(yōu)先生長方向的γ-TiAl合金具有較好綜合性能。

目前，主要采用定向凝固的技術來改善鈦鋁合金顯微組織，獲取片層組織，然而利用普通定向凝固方法對TiAl合金進行控制，無論先析出α相還是β相，都無法 保證最終的片層組織全部平行于定向凝固的優(yōu)先生長方向。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種取向增強的含鎢高鈮鈦鋁合金及其制備方法，該合金不僅具有細小均勻的全片層組織，而且片層組織方向與定向凝固生長方向的夾角為0°或者接近0°。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術解決方案為：一種取向增強的含鎢高鈮鈦鋁合金，以原子百分比計，所述合金成分為：Al：45.0％～48.0％、Nb：5.0％～8.0％、W：0.2％～0.8％，其余為Ti元素。

上述取向增強的含鎢高鈮鈦鋁合金制備方法，包括以下步驟：

步驟1、以鈦、鋁、鈮、鎢為原料，按照合金成分進行配料；

步驟2、將步驟1中配好的原料放入電弧熔煉爐中，抽真空，充入高純氬氣，然后調節(jié)電弧熔煉爐的電流和電壓進行熔煉，獲得紐扣錠；

步驟3、將步驟2中制備的紐扣錠放入懸浮熔煉爐中，抽真空，充入高純氬氣，然后調節(jié)懸浮熔煉爐的功率，用石英管吸鑄成圓柱形試棒；

步驟4、將步驟3中制備的圓柱形試棒放入Bridgeman定向凝固爐中，抽真空，充入高純氬氣，然后調節(jié)保溫溫度、保溫時間和抽拉速率等工藝參數(shù)對圓柱形試棒進行定向凝固，獲得取向增強的含鎢高鈮鈦鋁合金試樣。

步驟2中，抽真空后的真空度為0.01～0.03Pa；充入高純氬氣后真空度為600～650Pa；電弧熔煉爐電源電流為200A，電弧電源電壓為2V；熔煉3～5次。

步驟3中，抽真空后的真空度為5～10Pa；充入高純氬氣后，吸鑄閥門的下方壓力為一個大氣壓，上方壓力為0.03～0.04MPa；懸浮熔煉爐的功率為20KW；石英管尺寸為Ф6×L110mm。

步驟4中，抽真空后的真空度為0.02～0.05Pa；充入高純氬氣后的真空度為0.05～0.06Pa；Bridgeman定向凝固爐加熱功率為25KW，加熱溫度為1550±20℃，保溫時間為15min，抽拉速率為5～20μm/s，溫度梯度為500K/cm。

本發(fā)明的顯著優(yōu)點有：(1).與普通鈦鋁合金相比，該合金不僅具有細小均勻的全片層組織，而且片層組織方向與定向凝固生長方向的夾角為0°或者接近0°，能夠進一步提高其綜合力學性能，該合金具有Ni基、Fe基和Co基高溫材料所無法比擬的優(yōu)良性能，在現(xiàn)階段的航空航天、汽車等工業(yè)領域具有極其廣闊的應用前景。(2).與 普通定向凝固方法相比，利用Bridgeman方法來進行定向凝固，該方法具有熔煉溫度高、溫度梯度高、參數(shù)控制精確等特點，不僅可以獲得細小均勻的全片層組織，而且片層組織方向與定向凝固生長方向的夾角為0°或者接近0°取向片層組織，可以極大地提高合金的斷裂韌性、蠕變強度、室溫塑性等性能。

說明書附圖

圖1為Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2在抽拉速率為5μm/s條件下獲得的SEM微觀組織圖(a)，Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5在抽拉速率為10μm/s條件下獲得的SEM微觀組織圖(b)和Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8在抽拉速率為20μm/s條件下獲得的SEM微觀組織圖(c)。

具體實施方式

本發(fā)明通過添加少量鎢元素調節(jié)高鈮鈦鋁合金組成成分，利用Bridgeman方法來進行定向凝固，制備出了一種不僅具有細小均勻的全片層組織，而且片層組織方向與定向凝固生長方向的夾角為0°或者接近0°(也即片層組織全部平行于定向凝固的優(yōu)先生長方向)的取向增強的含鎢高鈮鈦鋁合金。

本發(fā)明的一種取向增強的含鎢高鈮鈦鋁合金，其成分為：Al：45.0％～48.0％、Nb：5.0％～8.0％、W：0.2％～0.8％，其余為Ti元素，上述的成分是以原子百分比表示。

本發(fā)明的一種取向增強的含鎢高鈮鈦鋁合金制備方法，按以下步驟進行：

步驟1、以鈦、鋁、鈮、鎢(所有純度均為99.99％)為原料，按照如下成分進行配料：Al：45.0％～48.0％、Nb：5.0％～8.0％、W：0.2％～0.8％，其余為Ti元素。上述的成分是以原子百分比表示。

步驟2、將步驟1中配好的原料放入電弧熔煉爐中，抽真空，充入高純氬氣，然后調節(jié)電弧熔煉爐的電流和電壓進行熔煉，獲得紐扣錠；其中所述的真空度為0.01～0.03Pa；所述的充入高純氬氣后真空度為600～650Pa；所述的電弧熔煉爐電源電流為200A，電弧電源電壓為2V；熔煉3～5次，獲得的紐扣錠，其重為20～30g。

步驟3、將步驟2中制備的紐扣錠放入懸浮熔煉爐中，抽真空，充入高純氬氣，然后調節(jié)懸浮熔煉爐的功率，用石英管吸鑄成圓柱形試棒；其中所述的真空度為5～10Pa；其中充入高純氬氣后，吸鑄閥門下方壓力為一個大氣壓，上方壓力為0.03～0.04MPa；所述的懸浮熔煉爐的功率為20KW；所述石英管尺寸為Ф6×L110mm。

步驟4、將步驟3中制備的圓柱形試棒放入Bridgeman定向凝固爐中，抽真空， 充入高純氬氣，然后調節(jié)保溫溫度、保溫時間和抽拉速率等工藝參數(shù)對圓柱形試棒進行定向凝固，獲得取向增強的含鎢高鈮鈦鋁合金試樣；其中所述的真空度為0.02～0.05Pa；所述的充入高純氬氣后真空度為0.05～0.06Pa；所述的Bridgeman定向凝固爐加熱功率為25KW，加熱溫度為1550±20℃，保溫時間為15min，抽拉速率為5～20μm/s，溫度梯度為500K/cm。

實施例1：

(1)以鈦、鋁、鈮、鎢(所有純度均為99.99％)為原料，按照Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的成分配比稱取材料。

(2)將上述配好的原料放入電弧熔煉爐中，抽真空至0.01Pa，充入高純氬氣至600Pa，然后在電弧熔煉爐電流為200A，電壓為2V的條件下進行熔煉，制備出成分為Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的紐扣錠，重量20g。

(3)將上述制備的紐扣錠放入懸浮熔煉爐中，抽真空至5Pa，充入高純氬氣至0.03MPa，然后在懸浮熔煉爐功率為20KW的條件下，用直徑為Ф6mm的石英管吸鑄，制備出成分為Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的圓柱形試棒，試棒尺寸為Ф4×70mm。

(4)將上述制備的圓柱形試棒放入Bridgeman定向凝固爐中，抽真空至0.02Pa，充入高純氬氣至0.05Pa，然后調節(jié)工藝參數(shù)，在加熱功率為25KW，加熱溫度為1550℃，保溫時間為15min，抽拉速率為5μm/s，溫度梯度為500K/cm的條件下，對圓柱形試棒進行定向凝固，制備出具有取向增強的含鎢高鈮鈦鋁Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的合金試樣。

采用實施例1制備出具有取向增強的含鎢高鈮鈦鋁Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的合金試樣，其微觀組織如圖1(a)所示。

實施例2：

(1)以鈦、鋁、鈮、鎢(所有純度均為99.99％)為原料，按照Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的成分配比稱取材料。

(2)將上述配好的原料放入電弧熔煉爐中，抽真空至0.02Pa，充入高純氬氣至630Pa，然后在電弧熔煉爐電流為200A，電壓為2V的條件下進行熔煉，制備出成分為Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的紐扣錠，重量25g。

(3)將上述制備的紐扣錠放入懸浮熔煉爐中，抽真空至7Pa，充入高純氬氣至0.04MPa，然后在懸浮熔煉爐功率為20KW的條件下，用直徑為Ф6mm的石英管吸 鑄，制備出成分為Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的圓柱形試棒，試棒尺寸為Ф4×80mm。

(4)將上述制備的圓柱形試棒放入Bridgeman定向凝固爐中，抽真空至0.03Pa，充入高純氬氣至0.05Pa，然后調節(jié)工藝參數(shù)，在加熱功率為25KW，加熱溫度為1550℃，保溫時間為15min，抽拉速率為10μm/s，溫度梯度為500K/cm的條件下，對圓柱形試棒進行定向凝固，制備出具有取向增強的含鎢高鈮鈦鋁Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的合金試樣。

采用實施例2制備出具有取向增強的含鎢高鈮鈦鋁Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的合金試樣，其微觀組織如圖1(b)所示。

實施例3：

(1)以鈦、鋁、鈮、鎢(所有純度均為99.99％)為原料，按照Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的成分配比稱取材料。

(2)將上述配好的原料放入電弧熔煉爐中，抽真空至0.03Pa，充入高純氬氣至650Pa，然后在電弧熔煉爐電流為200A，電壓為2V的條件下進行熔煉，制備出成分為Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的紐扣錠，重量30g。

(3)將上述制備的紐扣錠放入懸浮熔煉爐中，抽真空至10Pa，充入高純氬氣至0.05MPa，然后在懸浮熔煉爐功率為20KW的條件下，用直徑為Ф6mm的石英管吸鑄，制備出成分為Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的圓柱形試棒，試棒尺寸為Ф6×90mm。

(4)將上述制備的圓柱形試棒放入Bridgeman定向凝固爐中，抽真空至0.05Pa，充入高純氬氣至0.06Pa，然后調節(jié)工藝參數(shù)，在加熱功率為25KW，加熱溫度為1550℃，保溫時間為15min，抽拉速率為20μm/s，溫度梯度為500K/cm的條件下，對圓柱形試棒進行定向凝固，制備出具有取向增強的含鎢高鈮鈦鋁Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的合金試樣。

采用實施例3制備出具有取向增強的含鎢高鈮鈦鋁Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的合金試樣，其微觀組織如圖1(c)所示。