一種制備TiAl基合金定向全片層組織的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料加工領(lǐng)域定向凝固技術(shù)，具體是一種制備TiAl基合金定向全片 層組織的準(zhǔn)籽晶法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，人們以更高的使用溫度、更輕的質(zhì)量和更快的運(yùn)行速 度為設(shè)計理念，對航空發(fā)動機(jī)中高溫結(jié)構(gòu)材料的性能提出了更加苛刻的要求。TiAl基金屬 間化合物由于具有密度低、比強(qiáng)度和比彈性模量高，高溫抗蠕變及抗氧化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐 漸成為航天、航空及汽車用發(fā)動機(jī)耐熱結(jié)構(gòu)件極具競爭力的材料，這使其在航空、航天、汽 車、發(fā)電、冶金等領(lǐng)域中展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景。近年來，各國研宄者通過合金化、組 織控制以及改善加工工藝等方法，使TiAl基合金的使用溫度、拉伸性能、斷裂韌性、蠕變性 能、成形能力以及抗氧化能力等都得到普遍提高。在TiAl基合金的各種組織中，定向全片 層組織無疑具有更好的高溫強(qiáng)度、蠕變抗力及優(yōu)異的室溫韌性。尤其是當(dāng)外加載荷平行于 片層方向時，其屈服強(qiáng)度和延伸率能夠達(dá)到最佳組合。因此，該組織被認(rèn)為是最有應(yīng)用潛力 的TiAl合金凝固組織。
[0003]目前，能夠制備出TiAl基合金定向全片層組織的最有效的方法是籽晶法。該方法 的核心思想是選用滿足一定要求的籽晶，在定向凝固過程中控制母材合金中a相以非擇 優(yōu)方向生長，最終經(jīng)過固態(tài)相變獲得平行于生長方向的定向全片層組織。在該方法中，所使 用的籽晶必須滿足四個條件：
[0004] 1、初生相必須是a相。
[0005] 2、加熱至a2+丫 一a共析溫度，片層組織是穩(wěn)定的。
[0006] 3、加熱時，a相是熱力學(xué)穩(wěn)定的，且a相體積分?jǐn)?shù)的增加是通過增厚a相片層 而不是形核為新的片層。這樣可使高溫相有與原始片層組織中的a片層相同的取向。
[0007] 4、冷卻時，此過程是可逆的，片層組織原始取向可保持。
[0008] 為了同時滿足這些條件，人們通過添加不同的合金元素來改變TiAl合金的凝固 路徑以獲得合適的籽晶，從而用于定向全片層組織的制備。但是，對于TiAl基合金來說，要 想同時滿足這四個條件是極其困難的。到目前為止，人們發(fā)現(xiàn)僅僅只有少數(shù)幾種合金能夠 制備出合適的籽晶。在這種情況下，這些籽晶常常被用于制備各種成分的TiAl合金定向全 片層組織。但是由于這些籽晶和母材存在較大的成分差異，使得引晶過程變得格外困難，極 大的限制了定向全片層組織的制備和應(yīng)用。而對于那些已經(jīng)由籽晶法獲得的取向一致的片 層組織來說，由于它們在一般的加熱過程中往往是不穩(wěn)定的，所以很難再將它作為一個籽 晶來制備更多的定向全片層組織。如果能夠找到一個方法，使得這些片層組織在加熱過程 中能夠保持穩(wěn)定，就有可能利用其來控制片層組織的方向，從而大大簡化定向全片層組織 的制備技術(shù)，促進(jìn)其在工業(yè)上的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的TiAl基合金定向全片層組織不穩(wěn)定的不足，本發(fā)明提 出了一種制備TiAl基合金定向全片層組織的方法。
[0010] 本發(fā)明的具體過程是：
[0011] 第一步，試樣制備：從已經(jīng)制備好的TiAl合金定向全片層試樣中切取試樣作為準(zhǔn) 籽晶，且保證該準(zhǔn)籽晶內(nèi)的片層方向平行于試樣軸向。從TiAl合金鑄錠中切取試樣作為母 材。
[0012] 第二步，安裝試樣：將制備的準(zhǔn)籽晶安裝在電磁約束成形定向凝固裝置抽拉桿上。 將母材安裝在電磁約束成形定向凝固裝置送料桿上，同時確保母材下端面與準(zhǔn)籽晶上端面 的間隙為2_。調(diào)節(jié)準(zhǔn)籽晶和母材的高度，使準(zhǔn)籽晶上端面位于電磁約束成形定向凝固裝置 成形感應(yīng)器的中部；所述電磁約束成形定向凝固裝置采用現(xiàn)有技術(shù)。
[0013] 第三步，抽真空：關(guān)閉電磁約束成形定向凝固裝置的真空室門并抽真空至 6Xl(T3Pa，隨后充入高純氬氣作為保護(hù)氣體；
[0014] 第四步，加熱及保溫：將30KHz的交變電流通入成形感應(yīng)器中，并將所述交變電流 的電壓從0V開始，以20V/5min的速率增加至160V并保壓lOmin，使位于成形感應(yīng)器中的 準(zhǔn)籽晶合金和母材合金的溫度均達(dá)到900°C。保壓結(jié)束后將升至160V的交變電壓繼續(xù)以 5V/min~50V/min的速率增加至260V并保壓lOmin，使準(zhǔn)籽晶合金和母材合金的溫度升至 1450°C。繼續(xù)將所述交變電流的電壓從260V以5V/min的速率增加直至位于成形感應(yīng)器中 的準(zhǔn)籽晶合金和母材合金同時熔化，并使熔化后形成的熔體在電磁力的作用下約束成為熔 區(qū)；
[0015] 第五步，抽拉：待所述恪區(qū)高度穩(wěn)定后保溫0~30分鐘，以5ym/s~30ym/s的 速度從上至下抽拉，進(jìn)行電磁成形定向凝固，最終獲得TiAl基合金定向全片層組織。
[0016]所述TiAl合金的成分包括Ti-48Al-2Nb-2Cr、Ti-48Al-6Nb-lCr、 Ti-44Al-6Nb-2V-lCr、Ti-46A1-1. 5M〇-0. 2Cr、Ti-46A1-1. 5M〇-0. 8Si、 Ti-46. 5A1-0. 5Si-3Ta、Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-0. 5W-0. 5Si、Ti-47Al-2W-0. 5Si、 Ti-47Al-lNb-0. 3Si-0. 2Cr、Ti-47. 5Al-6Nb-2Ta-0. 5Si、Ti-47. 5A1-0. 5Re、Ti-48A1、 Ti-47A1、Ti-48Al-2Nb、Ti-48Al-6Nb、Ti-48Al-2Cr-2Ta、Ti-48Al-2Nb-2Mn、 Ti-48Al-2Cr-lMo、Ti-48Al-2Nb-lMo、Ti-49Al和Ti-49Al-7Nb;所述各TiAl合金成分的比 例為原子比。
[0017] 本發(fā)明采用快速加熱的方法，使TiAl合金的片層組織在加熱過程中保持穩(wěn)定，以 控制定向凝固過程中a相的生長方向，從而制備出平行于生長方向的定向全片層組織。
[0018] 本發(fā)明采用快速加熱的方法，使TiAl合金的片層組織在加熱過程中保持穩(wěn)定，以 控制定向凝固過程中a相的生長方向，從而制備出平行于生長方向的定向全片層組織。由 于本發(fā)明中所使用的籽晶的片層組織只有在快速加熱的條件下才穩(wěn)定，故在此特稱其為準(zhǔn) 籽晶，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件是得到TiAl基合金定向全片層組織的關(guān)鍵。
[0019] 圖1~圖3為本發(fā)明制備的TiAl合金準(zhǔn)籽晶在引晶過程中不同階段的微觀組織 圖。從圖中可以得出，在所述準(zhǔn)籽晶的引晶作用下，該合金在凝固過程中沿非擇優(yōu)取向生 長，并經(jīng)過隨后的固態(tài)相變得到平行于生長方向的定向全片層組織。需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明 中所使用的準(zhǔn)籽晶的片層組織在一般的加熱過程中是不穩(wěn)定的，即不像傳統(tǒng)準(zhǔn)籽晶那樣可 以同時滿足【背景技術(shù)】中所述的四個條件。但是，通過合理控制實(shí)驗(yàn)過程中的加熱速度和保 溫時間，能夠使得TiAl基合金準(zhǔn)籽晶中的片層組織保持穩(wěn)定，從而控制定向凝固過程中的 片層方向。通過該方法，簡化了TiAl基合金定向全片層組織的制備技術(shù)，從而擴(kuò)大了所述 準(zhǔn)籽晶法的使用范圍。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明中所使用的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金準(zhǔn)籽晶在熱影響區(qū)內(nèi)的組織。
[0021] 圖2是Ti-48Al-2Nb-2Cr合金引晶過程中初始界面處的片層組織。
[0022] 圖3是Ti-48Al-2Nb-2Cr合金成功引晶后得到的定向全片層組織。
[0023] 圖4是本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明是一種制備TiAl基合金定向全片層組織的方法。將通過28個實(shí)施例具體 描述本發(fā)明的實(shí)施過程。其中各實(shí)施例的制備過程與相同，不同之處在于各實(shí)施例中的制 備工藝參數(shù)，以及所涉及的TiAl合金的成分，具體見表1 :
[0025] 表1:各實(shí)施例的合金成分及制備參數(shù)
[0026]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種制備TiAl基合金定向全片層組織的方法，其特征在于，具體過程是： 第一步，試樣制備：從已經(jīng)制備好的TiAl合金定向全片層試樣中切取試樣作為準(zhǔn)籽 晶，且保證該準(zhǔn)籽晶內(nèi)的片層方向平行于試樣軸向；從TiAl合金鑄錠中切取試樣作為母 材； 第二步，安裝試樣：將制備的準(zhǔn)籽晶安裝在電磁約束成形定向凝固裝置抽拉桿上；將 母材安裝在電磁約束成形定向凝固裝置送料桿上，同時確保母材下端面與準(zhǔn)籽晶上端面的 間隙為2_ ;調(diào)節(jié)準(zhǔn)籽晶和母材的高度，使準(zhǔn)籽晶上端面位于電磁約束成形定向凝固裝置 成形感應(yīng)器的中部；所述電磁約束成形定向凝固裝置采用現(xiàn)有技術(shù)； 第三步，抽真空：關(guān)閉電磁約束成形定向凝固裝置的真空室門并抽真空至6X KT3Pa, 隨后充入高純氬氣作為保護(hù)氣體； 第四步，加熱及保溫：將30KHz的交變電流通入成形感應(yīng)器中，并將所述交變電流的電 壓從OV開始，以20V/5min的速率增加至160V并保壓lOmin，使位于成形感應(yīng)器中的準(zhǔn)籽晶 合金和母材合金的溫度均達(dá)到900°C;保壓結(jié)束后將升至160V的交變電壓繼續(xù)以5V/min~ 50V/min的速率增加至260V并保壓lOmin，使準(zhǔn)籽晶合金和母材合金的溫度升至1450°C ; 繼續(xù)將所述交變電流的電壓從260V以5V/min的速率增加直至位于成形感應(yīng)器中的準(zhǔn)籽晶 合金和母材合金同時熔化，并使熔化后形成的熔體在電磁力的作用下約束成為熔區(qū)；第五 步，抽拉：待所述恪區(qū)高度穩(wěn)定后保溫〇~30分鐘，以5 μπι/s~30 μπι/s的速度從上至下 抽拉，進(jìn)行電磁成形定向凝固，最終獲得TiAl基合金定向全片層組織。
2. 如權(quán)利要求1所述制備TiAl基合金定向全片層組織的方法，其特征在于，所 述 TiAl 合金的成分包括 Ti-48Al-2Nb-2Cr、Ti-48Al-6Nb-lCr、Ti-44Al-6Nb-2V-lCr、 Ti-46A1-1. 5Μ〇-0·2Cr、Ti-46A1-1.5Μ〇-0·8Si、Ti-46. 5A1-0. 5Si-3Ta、Ti-47A1、 Ti-47Al-2Nb-2Cr、Ti-47Al-0. 5W-0. 5Si、Ti-47Al-2W-0. 5Si、Ti-47Al-lNb-0. 3Si-0. 2Cr、 Ti-47. 5Al-6Nb-2Ta-0. 5Si、Ti-47. 5A1-0. 5Re、Ti-48A1、Ti-48Al-2Nb、Ti-48Al-6Nb、 Ti-48Al-2Cr-2Ta、Ti-48Al-2Nb-2Mn、Ti-48Al-2Cr-lMo、Ti-48Al-2Nb-lMo、Ti-49A1 和 Ti-49Al-7Nb ;所述各TiAl合金成分的比例為原子比。
【專利摘要】一種制備TiAl基合金定向全片層組織的方法，在加熱及保溫中，以快速加熱的方式使TiAl合金的片層組織在加熱過程中保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)控制定向凝固過程中α相的生長方向的目的，從而制備出平行于生長方向的定向全片層組織。本發(fā)明減小傳統(tǒng)籽晶法中對籽晶材料的苛刻要求，使得那些由于組織不穩(wěn)定而不適合作為籽晶的片層組織，可以作為一個合格的準(zhǔn)籽晶用于控制定向凝固過程中的片層組織，簡化了TiAl基合金定向全片層組織的制備工藝。
【IPC分類】C22C14-00, C22C1-03, C30B28-06, C30B29-52
【公開號】CN104651650
【申請?zhí)枴緾N201510053800
【發(fā)明人】杜玉俊, 沈軍, 韓軍龍, 熊義龍
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月2日