一種片層取向完全可控的TiAl單晶合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶及其制備方法。本發(fā)明的TiAl合金材料成分表達(dá)式為TiaAlbNbc（原子百分比），其中42≤a≤55，43≤b≤49,2≤c≤9，a+b+c=100。本發(fā)明可控片層取向的TiAl合金單晶的制備方法為：水冷銅坩堝電磁感應(yīng)懸浮熔煉TiAl合金母合金錠，并通過(guò)吸鑄鑄成定向凝固棒材；將試棒放入內(nèi)壁燒結(jié)高純氧化釔涂層的高純剛玉坩堝中進(jìn)行Bridgman定向凝固；通過(guò)改變凝固參量控制固態(tài)相變過(guò)程，使單晶片層取向完全可控，并獲得片層取向平行于生長(zhǎng)方向的TiAl金屬間化合物單晶。
【專利說(shuō)明】—種片層取向完全可控的TiAI單晶合金及其制備方法

【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】，具體涉及一種片層取向完全可控的TiAl單晶合金及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]TiAl金屬間化合物是一種新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，其比重不到鎳基高溫合金的50%，具有高比強(qiáng)、高比剛、耐蝕、耐磨、耐高溫以及優(yōu)異的抗氧化性和抗蠕變等優(yōu)點(diǎn)，是替代Ni基高溫合金的理想材料。
[0003]全片層組織TiAl合金的力學(xué)性能與其片層取向有著密切的關(guān)系。通過(guò)對(duì)具有單一取向的全片層多孿晶晶體PST (Polysynthetic twinned crystal)的研究,發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度與塑性呈現(xiàn)出明顯的各向異性。由于全片層組織的這種各向異性，當(dāng)片層取向合適時(shí)，使其更適合于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片這樣一些要求耐高溫，而又只受一維方向載荷的服役條件。如果能將TiAl合金采用定向凝固的方法制作出全片層組織的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，并使其片層組織取向平行于葉片的軸向(定向凝固中晶體的生長(zhǎng)方向)，無(wú)疑是極其有利的。Yamaguchi等人系統(tǒng)研究了 TiAl合金片層取向?qū)αW(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)載荷方向與片層取向平行時(shí)，屈服強(qiáng)度和延伸率達(dá)到最佳組合。因此，要進(jìn)一步提高TiAl合金的使用性能，就必須對(duì)最終組織的片層取向進(jìn)行控制，以獲得取向與載荷方向一致的TiAl金屬間化合物單晶全片層組織。
[0004]目前，國(guó)內(nèi)外TiAl合金片層取向的控制方法主要包括籽晶法和改變凝固路徑的非籽晶法。Yamaguch1、Johnson等人通過(guò)α相凝固籽晶法,選用Ti_Al_Si系合金作為籽晶，通過(guò)縮頸選晶法得到了片層取向完全平行于生長(zhǎng)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]非籽晶法中，目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有研究得到與生長(zhǎng)方向平行的全片層TiAl單晶組織。林均品等在較低的G/V條件下,對(duì)T1-46Al-5Nb合金采用“自籽晶法”(double direct1nalsolidificat1n)的方法得到了與生長(zhǎng)方向平行的全片層單晶組織。他們認(rèn)為，較低的G/V工藝使β相枝晶間距在合適的條件下，可以通過(guò)全包晶反應(yīng)得到與生長(zhǎng)方向平行的單一取向的α相，而不會(huì)發(fā)生固態(tài)相變?chǔ)?— α生成不同位相的α變體，從而完成對(duì)片層取向的控制。這種方法需要進(jìn)行兩次相同工藝的定向凝固，較普通非籽晶法多一次凝固過(guò)程，力口重了坩堝材料對(duì)合金的污染，對(duì)定向凝固TiAl合金的工業(yè)化不利。
[0006]之前國(guó)內(nèi)外關(guān)于非籽晶法控制片層取向的研究均為改變凝固路徑，不能控制單晶片層取向，而且沒(méi)有得到與生長(zhǎng)方向完全平行的單晶片層組織。為解決此技術(shù)難題，TiAl合金固態(tài)定向相變過(guò)程成為控制片層取向的關(guān)鍵。由相圖可知，全片層組織TiAl合金凝固后還須經(jīng)歷β — α和α — α2+γ的固態(tài)相變。當(dāng)初生相為β相時(shí)，擇優(yōu)生長(zhǎng)方向?yàn)椤?01〉，其位相關(guān)系為:{110} 0//{0001} α//{111} /25]，且{110} 0的12個(gè)變量中4個(gè)平行于生長(zhǎng)方向，8個(gè)與生長(zhǎng)方向傾斜成45° [16’26]，經(jīng)歷固態(tài)相變后形成的片層組織中僅有1/3慣習(xí)面的取向平行于生長(zhǎng)方向。顯然，TiAl合金最終片層組織的取向，不僅取決于初生β相的生長(zhǎng)方向，還取決于之后的固態(tài)相變過(guò)程。所以，β — α固態(tài)相變過(guò)程也是控制片層取向的關(guān)鍵。而迄今為止關(guān)于TiAl片層取向控制的研究，均集中于凝固過(guò)程，而忽視了凝固之后的固態(tài)相變過(guò)程。
[0007]因此，不但要控制凝固過(guò)程，使定向凝固初生相為β相，而且要控制TiAl合金定向固態(tài)相變過(guò)程中新相的形核長(zhǎng)大、相界定向遷移過(guò)程，使其在定向固態(tài)相變中只保留下來(lái)與生長(zhǎng)方向呈0°的片層取向，完成在連續(xù)定向液固相變一固態(tài)相變條件下對(duì)TiAl合金片層取向的控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是通過(guò)控制連續(xù)定向液固相變一固態(tài)相變過(guò)程，提供一種片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶及其制備方法。
[0009]一種片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶，以原子百分比計(jì)，其合金成分表達(dá)式為 TiaAlbNbc,其中，42 彡 a 彡 55，43 彡 b 彡 49，2 彡 c 彡 9，a+b+c = 100。
[0010]上述片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶的制備，包括如下具體步驟:
[0011]第一步:選取純度均為99.999%的T1、Al、Nb純金屬原材料，按照合金成分進(jìn)行配t匕，在真空度小于10_3Pa的冷坩堝懸浮熔煉爐中熔煉母合金，經(jīng)3?4次熔煉使合金成分均勻化，并吸鑄成定向凝固棒材；
[0012]第二步:將TiAl合金試棒放入高純氧化釔涂層的剛玉坩堝中進(jìn)行定向凝固，抽真空至5X10_3Pa，再向系統(tǒng)中充入高純氬保護(hù)氣；
[0013]第三步:調(diào)節(jié)感應(yīng)電源功率對(duì)試樣進(jìn)行加熱，保溫溫度為1450?1650K，保溫時(shí)間為15?30min,開始定向凝固，控制定向凝固抽拉速率為5?20 μ m/s ;持續(xù)生長(zhǎng)至試樣長(zhǎng)度50mm處，啟動(dòng)快淬對(duì)定向凝固試樣進(jìn)行快淬處理，保留固液界面。
[0014]第一步中定向凝固棒材直徑為Φ (4?6mm) X 100mm。
[0015]第二步中高純氧化乾涂層的剛玉i甘禍尺寸為Φ (7?9mm) X 10mm ;高純IS保護(hù)氣充入量為0.04?0.06MPa。
[0016]本發(fā)明的原理:采用Bridgman定向凝固方法控制TiAl合金片層取向，通過(guò)改變凝固參量溫度梯度和生長(zhǎng)速率，首先保證初生相為全β相，其次通過(guò)凝固過(guò)程中晶粒競(jìng)爭(zhēng)淘汰獲得單晶，并且在凝固過(guò)程中存在一個(gè)臨界溫度對(duì)應(yīng)特定的抽拉速率，在此抽拉速率下最終片層取向與生長(zhǎng)方向?yàn)?5°的α相通過(guò)相界遷移而消除，使β — α相變中得到的12個(gè)α變量中只保留最終片層取向與生長(zhǎng)方向平行的α相，從而完成對(duì)片層取向的控制。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn):1.采用普通的Bridgman定向凝固方法，通過(guò)調(diào)節(jié)凝固參量，控制連續(xù)定向液固相變一定向固態(tài)相變，保證全β相生長(zhǎng)并且通過(guò)在固態(tài)相變控制最終片層取向，并得到片層取向完全平行于生長(zhǎng)方向的TiAl合金單晶組織。
[0018]2.本發(fā)明有效避免了籽晶法成分性能不均勻的缺點(diǎn)，同時(shí)在單次定向凝固過(guò)程中便得到了理想的片層取向的單晶組織，簡(jiǎn)化了工藝。
[0019]3.本發(fā)明在制備TiAl合金單晶過(guò)程中，在一定范圍凝固參量下能夠完全控制其單晶片層取向。本發(fā)明為定向凝固TiAl合金的工業(yè)化應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為現(xiàn)有技術(shù)部分T1-Al 二元合金相圖。
[0021]圖2為本發(fā)明定向凝固試樣最大縱截面(a)及片層取向(b)的顯微組織圖。
[0022]圖3為本發(fā)明定向凝固試樣競(jìng)爭(zhēng)段縱截面顯微組織圖。
[0023]圖4為本發(fā)明定向凝固試樣最大縱截面(a)及片層取向(b)的顯微組織圖。
[0024]圖5為本發(fā)明定向凝固試樣競(jìng)爭(zhēng)段縱截面顯微組織圖。
[0025]圖6為本發(fā)明定向凝固試樣最大縱截面(a)及片層取向(b)的顯微組織圖。
[0026]圖7為本發(fā)明定向凝固試樣淬火固液界面。
[0027]注:附圖2-7中顯微組織生長(zhǎng)方向?yàn)閺挠蚁蜃蟆?br>
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明一種片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶及其制備方法，其【具體實(shí)施方式】如下:
[0029](I)選擇初生相為全β相的T1-Al-Nb三元合金。根據(jù)多元合金相圖及相選擇原理，如圖1，通過(guò)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。具體而言，提高Nb的含量，降低Al的相對(duì)比例，形成較寬的β相區(qū)。
[0030](2)根據(jù)I)所得到的合金成分，采用高純金屬組元配置，并在高純Ar氣保護(hù)下，采用冷坩堝電磁懸浮熔煉設(shè)備熔制母合金。母合金多次熔煉得到均勻的母合金錠，并吸鑄成母合金棒材。
[0031](3)將TiAl合金棒材置入內(nèi)壁燒結(jié)高純氧化釔涂層的剛玉坩堝，剛玉坩堝尺寸為Φ (5?8mm) X 100mm,放入Bridgman定向凝固爐，抽真空度置5 X 10_3Pa時(shí),充入0.04?0.06MPa高純氬保護(hù)氣。
[0032](4)調(diào)節(jié)感應(yīng)電源功率對(duì)試樣進(jìn)行加熱，保溫溫度為1450?1650K，保溫時(shí)間為15?30min,開始定向凝固，控制定向凝固生長(zhǎng)速率為5?20 μ m/s ;
[0033](5)在一定速率持續(xù)生長(zhǎng)至試樣長(zhǎng)度50mm處，啟動(dòng)快淬對(duì)定向凝固試樣進(jìn)行快淬處理，保留固液界面。
[0034]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0035]實(shí)施例1
[0036]實(shí)驗(yàn)所用合金成分為Ti47Al45Nb8 (原子百分比at % )，其金屬組元純度均為99.999%，在高純Ar氣保護(hù)下，在真空度為5X 10_3Pa下采用冷坩堝電磁懸浮熔煉設(shè)備熔制母合金。經(jīng)4次熔煉得到均勻的母合金錠，并吸鑄成Φ4Χ 10mm母合金棒材。將TiAl合金試棒放入內(nèi)壁涂有高純氧化釔的剛玉坩堝中進(jìn)行定向凝固實(shí)驗(yàn)，抽真空至5X10-3Pa，再向系統(tǒng)中充入0.05MPa高純氬保護(hù)氣。，調(diào)節(jié)感應(yīng)電源功率對(duì)試樣進(jìn)行加熱，保溫溫度為1550K,保溫時(shí)間為25min,開始定向凝固，控制定向凝固生長(zhǎng)速率為5 μ m/s ;當(dāng)抽拉長(zhǎng)度至試樣長(zhǎng)度50mm處，啟動(dòng)快淬對(duì)試樣進(jìn)行快淬處理，保留固液界面。對(duì)該圓柱試樣的最大縱截面進(jìn)行顯微組織表征，觀察該抽拉速率下的凝固先析出相、晶粒大小和片層取向并進(jìn)行分析，如圖2(a)和圖2(b)所示，發(fā)現(xiàn)得到片層取向平行于生長(zhǎng)方向的TiAl合金單晶。生長(zhǎng)速率較小為5 μ m/s時(shí)，溶質(zhì)的富集能夠充分?jǐn)U散，生長(zhǎng)能夠穩(wěn)定進(jìn)行，晶粒有充分的時(shí)間長(zhǎng)大，所以所得晶粒較為粗大直至獲得單晶生長(zhǎng)。
[0037]圖3為5 μ m/s時(shí)定向凝固競(jìng)爭(zhēng)段顯微組織。由于在β — α固態(tài)相變中，由于形成0°和45°片層兩種界面的錯(cuò)配度不同，導(dǎo)致不同的相界遷移率的不同，所以一個(gè)存在臨界抽拉速率5μπιΛ，在此抽拉速率以下，形成0°與45°片層取向的α晶粒形核后0°晶粒生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力較大，最終淘汰45°晶粒，得到片層取向平行于生長(zhǎng)方向的單晶。
[0038]實(shí)施例2
[0039]米用與實(shí)施例1中相同的合金成分及方法，保溫溫度為1550Κ,保溫時(shí)間為25min,開始定向凝固，控制定向凝固生長(zhǎng)速率為15ym/s ;如圖4(a)和圖4(b)所示，在此抽拉速率下β — α固態(tài)相變保留下的是45°片層取向的α相，所以最終組織為片層取向?yàn)?5°的單晶。
[0040]圖5為15μπιΛ時(shí)定向凝固競(jìng)爭(zhēng)段顯微組織。在此抽拉速率時(shí)，45°晶粒固態(tài)相變形核驅(qū)動(dòng)力大于0°晶粒，以致0°晶粒不能生長(zhǎng)，得到片層取向與生長(zhǎng)方向呈45°的TiAl合金單晶。
[0041]實(shí)施例3
[0042]采用與實(shí)施例1中相同的合金成分及方法，保溫溫度為1550Κ，保溫時(shí)間為25min，開始定向凝固，控制定向凝固生長(zhǎng)速率為20 μ m/s ;如圖6 (a)和圖6(b)所示，獲得片層取向與生長(zhǎng)方向呈45°的單晶。
[0043]圖7為快淬處理保留的固液界面，其枝晶生長(zhǎng)形貌呈4重對(duì)稱，具有較明顯的二次枝晶且與一次枝晶干呈90°垂直關(guān)系，可以推斷出在定向凝固過(guò)程中，立方晶系的β相是初生相。
[0044]實(shí)施例4
[0045]采用與實(shí)施例1相同的方法，所用合金成分為Ti55Al43Nb2,保溫溫度為1650Κ，保溫時(shí)間為30min，定向凝固生長(zhǎng)速率為5 μ m/s，獲得與片層取向平行于生長(zhǎng)方向的TiAl合金單晶。
[0046]實(shí)施例5
[0047]采用與實(shí)施例1相同的方法，所用合金成分為Ti48Al43Nb9,保溫溫度為1450K，保溫時(shí)間為30min，定向凝固生長(zhǎng)速率為10 μ m/s，獲得片層取向與生長(zhǎng)方向呈45°的TiAl合金單晶。
[0048]實(shí)施例6
[0049]采用與實(shí)施例1相同的方法，所用合金成分為Ti51Al45Nb6,保溫溫度為1650K，保溫時(shí)間為15min，定向凝固生長(zhǎng)速率為5 μ m/s，獲得與片層取向平行于生長(zhǎng)方向的TiAl合金單晶。
[0050]實(shí)施例7
[0051]采用與實(shí)施例1相同的方法，所用合金成分為Ti42Al49Nb9,保溫溫度為1550K，保溫時(shí)間為25min，定向凝固生長(zhǎng)速率為5 μ m/s，獲得與片層取向平行于生長(zhǎng)方向的TiAl合金單晶。
【權(quán)利要求】
1.一種片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶，其特征在于，以原子百分比計(jì)，其合金成分表達(dá)式為TiaAlbNbe,其中，42彡a彡55，43彡b彡49，2彡c彡9，a+b+c = 100。
2.如權(quán)利要求1所述的片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶，其特征在于，由以下步驟制備: 第一步:選取純度均為99.999%的T1、Al、Nb純金屬原材料，按照合金成分進(jìn)行配比，在真空度小于10_3Pa的冷坩堝懸浮熔煉爐中熔煉母合金，經(jīng)3?4次熔煉使合金成分均勻化，并吸鑄成定向凝固棒材； 第二步JfTiAl合金試棒放入高純氧化釔涂層的剛玉坩堝中進(jìn)行定向凝固，抽真空至5X10_3Pa，再向系統(tǒng)中充入高純氬保護(hù)氣； 第三步:調(diào)節(jié)感應(yīng)電源功率對(duì)試樣進(jìn)行加熱，保溫溫度為1450?1650K，保溫時(shí)間為15?30min,開始定向凝固，控制定向凝固抽拉速率為5?20 μ m/s ;持續(xù)生長(zhǎng)至試樣長(zhǎng)度50mm處，啟動(dòng)快淬對(duì)定向凝固試樣進(jìn)行快淬處理，保留固液界面。
3.如權(quán)利要求2所述的片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶，其特征在于，第一步中定向凝固棒材直徑為Φ (4?6mm) X 100mm。
4.如權(quán)利要求2所述的片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶，其特征在于，第二步中高純氧化釔涂層的剛玉坩堝尺寸為Φ (7?9mm) X 10mm ;高純氬保護(hù)氣充入量為0.04 ?0.06MPa。
5.一種如權(quán)利要求1所述的片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶的制備，其特征在于，包括如下具體步驟: 第一步:選取純度均為99.999%的T1、Al、Nb純金屬原材料，按照合金成分進(jìn)行配比，在真空度小于10_3Pa的冷坩堝懸浮熔煉爐中熔煉母合金，經(jīng)3?4次熔煉使合金成分均勻化，并吸鑄成定向凝固棒材； 第二步JfTiAl合金試棒放入高純氧化釔涂層的剛玉坩堝中進(jìn)行定向凝固，抽真空至5X10_3Pa，再向系統(tǒng)中充入高純氬保護(hù)氣； 第三步:調(diào)節(jié)感應(yīng)電源功率對(duì)試樣進(jìn)行加熱，保溫溫度為1450?1650K，保溫時(shí)間為15?30min,開始定向凝固，控制定向凝固抽拉速率為5?20 μ m/s ;持續(xù)生長(zhǎng)至試樣長(zhǎng)度50mm處，啟動(dòng)快淬對(duì)定向凝固試樣進(jìn)行快淬處理，保留固液界面。
6.如權(quán)利要求5所述的片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶的制備，其特征在于，第一步中定向凝固棒材直徑為Φ (4?6mm) X 100mm。
7.如權(quán)利要求5所述的片層取向完全可控的TiAl金屬間化合物單晶的制備，其特征在于，第二步中高純氧化乾涂層的剛玉i甘禍尺寸為Φ (7?9mm) X 10mm ;高純IS保護(hù)氣充入量為 0.04 ?0.06MPa。
【文檔編號(hào)】C30B11/00GK104328501SQ201410528019
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)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, 王敏智 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)