一種含Cr高Nb新型β-γ TiAl金屬間化合物材料及其制備方法
【專利摘要】一種含Cr高Nb新型β-γTiAl金屬間化合物材料及其制備方法，屬于金屬間化合物材料。其元素的摩爾百分含量為:43%～45%的Al、5～15%的Nb、不高于0.4%的Cr和余量的Ti及不可避免的雜質(zhì)。按照組成將原料通過(guò)金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解鉻片層和海綿鈦層，將壓塊放入到水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉爐，抽真空，以10～15kw/min速率將熔煉功率升至140～160kw后停止增加功率，在恒定功率下熔煉，使熔體混合均勻；將熔體澆鑄到預(yù)熱的金屬鑄型中并離心旋轉(zhuǎn)，并隨爐冷卻。本發(fā)明得到了均勻細(xì)小且無(wú)明顯偏析的含有β相的γ-TiAl合金組織。
【專利說(shuō)明】—種含Cr高Nb新型β-y TiAI金屬間化合物材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬間化合物及其制備工藝，尤其涉及一種含Cr高Nb新型β - Y TiAl金屬間化合物材料及其制備方法,屬于金屬間化合物材料。
【背景技術(shù)】
[0002]Y-TiAl基合金由于其具有低密度，高熱導(dǎo)率以及較好的高溫性能等被認(rèn)為最有應(yīng)用潛力的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料。但是其共價(jià)鍵的特性導(dǎo)致了合金材料室溫塑性低，可加工性差，限制了工業(yè)應(yīng)用。為改善TiAl基合金的使用性能，研究人員進(jìn)行了大量的研究。結(jié)果顯示，引入β相是提高TiAl金屬間化合物力學(xué)性能和熱加工性能的重要手段。目前TiAl合金正朝著多組元化方向發(fā)展，一個(gè)重要的趨勢(shì)是合金中Al含量逐漸降低，Nb的含量則有一定程度的升高，最終發(fā)展形成高鈮TiAl合金。高溶點(diǎn)的難容元素Nb的添加，有效地提高了合金的高溫力學(xué)性能，同時(shí)改善了高溫抗氧化性能。然而關(guān)于含有β相的高Nb-TiAl金屬間化合物材料的制備及Cr在高鈮TiAl合金中的物理冶金行為尚未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)在合金熔煉的過(guò)程中添加β相穩(wěn)定元素Cr得到β相，進(jìn)而改善材料性能的含Cr高Nb新型β - Y TiAl金屬間化合物材料及制備方法。
[0004]本發(fā)明的一種含Cr高鈮新型β-YTiAl金屬間化合物材料，其特征在于，其元素的摩爾百分含量為：43%~45%的Al、5~15% (優(yōu)選8~10%)的Nb、不高于O. 4%(優(yōu)選
O.2%)的Cr和余量的Ti及不可避免的雜質(zhì)。
[0005]本發(fā)明的含Cr高Nb新型β _ Y TiAl金屬間化合物的制備方法,通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0006](I)、稱取如下原料：海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金和電解鉻片；其中控制Al、Nb、Cr和Ti元素的摩爾百分含量為43%~45%的Al、5~15%的Nb、不高于O. 4%的Cr和余量為T(mén)i及不可避免的雜質(zhì)；
[0007](2)、將步驟（I)稱得的原料通過(guò)金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，壓塊時(shí)自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解鉻片層和海綿鈦層；
[0008](3)將步驟（2)得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱至300~350°C，將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至4. O~
6.OX l(T3mbar,以10~15kw/min (優(yōu)選10kw/min)增長(zhǎng)速率將水冷銅?甘禍真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至140~160kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉120~180s得熔體，使熔體混合均勻；
[0009](4)將熔體澆鑄到預(yù)熱后的且離心旋轉(zhuǎn)的金屬鑄型中，離心機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)選為150r/min,形成含Cr高銀TiAl金屬間化合物鑄錠,并隨爐冷卻。
[0010]本發(fā)明步驟（I)中海綿鈦的質(zhì)量純度為99. 7%，高純鋁的質(zhì)量純度為99. 99%，鋁鈮中間合金的質(zhì)量純度為99. 8%，電解鉻片的質(zhì)量純度為99. 999% ;各原料為市售產(chǎn)品。
[0011]本發(fā)明確定了 Cr的最佳加入量范圍，在材料凝固過(guò)程中，Cr的加入改變了合金的凝固路線，由傳統(tǒng)的L —L+β — α —…變?yōu)長(zhǎng) —L+β — β ―…，得到的高鈮TiAl金屬間化合物材料顯微組織非常細(xì)小，且無(wú)明顯偏析出現(xiàn)，形成的β相主要出現(xiàn)在片層晶團(tuán)晶界處。細(xì)小均勻、無(wú)明顯偏析的組織有利于合金的熱加工性，改善合金的綜合性能。
[0012]本發(fā)明得到了均勻細(xì)小且無(wú)明顯偏析的的TiAl合金組織，且采用水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單易操作。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖I實(shí)施例I的含Cr高Nb新型β - Y TiAl金屬間化合物Ti-45Al-8Nb_0. 2Cr鑄態(tài)合金光學(xué)顯微組織圖；
[0014]圖2實(shí)施例I的含Cr高Nb新型β - Y TiAl金屬間化合物Ti-45Al-8Nb_0. 2Cr鑄態(tài)合金X-射線衍射譜圖；
[0015]圖3實(shí)施例I的含Cr高Nb新型β - Y TiAl金屬間化合物Ti-45Al-8Nb_0. 2Cr鑄態(tài)合金掃描電子顯微圖；
[0016]圖4實(shí)施例2的含Cr高Nb新型β-r TiAl金屬間化合物Ti-43Al-10Nb_0. 4Cr鑄態(tài)合金光學(xué)顯微組織圖；
[0017]圖5實(shí)施例2的含Cr高Nb新型β-r TiAl金屬間化合物Ti-43Al-10Nb_0. 4Cr鑄態(tài)合金X-射線衍射譜圖；
[0018]圖6實(shí)施例2的含Cr高Nb新型β-r TiAl金屬間化合物Ti-43Al-10Nb_0. 4Cr鑄態(tài)合金掃描電子顯微圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
[0020]實(shí)施例I
[0021]本實(shí)施例的含Cr高Nb新型β _ Y TiAl金屬間化合物材料制備通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)：一、稱取如下原料：海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金和電解鉻片，其中Ti46. 8at.%、A145at. %、Nb8at. %、CrO. 2at. % ;二、將步驟一稱得的原料通過(guò)金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，壓塊時(shí)自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解鉻片層和海綿鈦層；三、將步驟二得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱至300°C，將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至5. OX IO^mbar ;四、以10kw/min增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至160kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉150s得熔體，使熔體混合均勻；五、將熔體澆鑄到預(yù)熱后的且離心旋轉(zhuǎn)的金屬鑄型中，離心機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)選為150r/min，鑄錠尺寸為Φ 40 X 180mm，并隨爐冷卻，得到Ti-45Al-8Nb-0. `2Cr化合物鑄錠。
[0022]米用電火花線切割方法從鑄錠上切取15X 15X IOmm試樣,金相與掃描試樣經(jīng)金相砂紙從240目磨到2000目，再用電解拋光機(jī)精拋，X射線衍射試樣經(jīng)水洗砂紙從240目磨到1000目，再用無(wú)水乙醇清洗表面，透射樣品為O. 5mm的薄片，用砂紙磨到40um厚，再采用雙噴減薄技術(shù)制備。利用金相顯微鏡觀察Ti-45Al-8Nb-0. 2Cr的顯微組織發(fā)現(xiàn)，TiAl合金的組織呈細(xì)小的等軸晶組織，微觀組織中有白色亮相，見(jiàn)圖I ;利用XRD(X射線衍射儀）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，合金中除了 ％和y相之外，還有β相出現(xiàn)，見(jiàn)圖2;利用掃描電子顯微鏡和電子探針進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，白色亮相主要分布在片層晶團(tuán)晶界處，見(jiàn)圖3。
[0023]實(shí)施例2
[0024]本實(shí)施方式的含Cr高Nb新型β _ Y TiAl金屬間化合物材料制備通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)：一、稱取如下原料：海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金和電解鉻片，其中Ti46. 6at.%、A143at. %、NblOat. %、CrO. 4at. % ;二、將步驟一稱得的原料通過(guò)金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，壓塊時(shí)自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解鉻片層和海綿鈦層；三、將步驟二得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱至350°C，將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至4. 5X 10_3mbar ;四、以10kw/min增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至150kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉170s得熔體，使熔體混合均勻；五、將熔體澆鑄到預(yù)熱后的且離心旋轉(zhuǎn)的金屬鑄型中，離心機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)選為150r/min，鑄錠尺寸為Φ 40 X 180mm，并隨爐冷卻，得到 Ti-43Al-10Nb-0. 4Cr 化合物鑄錠。 [0025]米用電火花線切割方法從鑄錠上切取15X 15X IOmm試樣,金相與掃描試樣經(jīng)金相砂紙從240目磨到2000目，再用電解拋光機(jī)精拋，X射線衍射試樣經(jīng)水洗砂紙從240目磨到1000目，再用無(wú)水乙醇清洗表面，透射樣品為O. 5mm的薄片，用砂紙磨到40um厚，再采用雙噴減薄技術(shù)制備。利用金相顯微鏡觀察Ti-43Al-10Nb-0.4Cr的顯微組織發(fā)現(xiàn)，TiAl合金的組織呈細(xì)小的等軸晶組織，微觀組織中有白色亮相，見(jiàn)圖4;利用XRD(X射線衍射儀）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，合金中除了 ％和y相之外，還有β相出現(xiàn)，見(jiàn)圖5;利用掃描電子顯微鏡和電子探針進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，白色亮相主要分布在片層晶團(tuán)晶界處，見(jiàn)圖6。
[0026]實(shí)施例3
[0027](I)、稱取如下原料：海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金和電解鉻片；其中控制Al、Nb、Cr和Ti元素的摩爾百分含量為43%~45%的Al、8~10%的Nb、0. 1-0. 4%的Cr和余量的Ti及雜質(zhì)；
[0028](2)、將步驟（I)稱得的原料通過(guò)金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，壓塊時(shí)自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解鉻片層和海綿鈦層；
[0029](3)將步驟（2)得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱至300~350°C，將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至4. O~
6.OXlO^mbar,以10~15kw/min增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至140~160kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉120s得熔體，使熔體混合均勻；
[0030](4)將熔體澆鑄到預(yù)熱后的且離心旋轉(zhuǎn)的金屬鑄型中，離心機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)選為150r/min,形成含Cr高銀TiAl金屬間化合物鑄錠,并隨爐冷卻。
[0031 ] 采用與實(shí)施例I和實(shí)施例2相同的表征得到的含Cr高鈮TiAl金屬間化合物材料顯微組織細(xì)小均勻且無(wú)明顯偏析，組織中出現(xiàn)了亮白色的β相，主要分布在片層晶團(tuán)晶界處。
【權(quán)利要求】
1.一種含Cr高Nb新型β-YTiAl金屬間化合物材料，其特征在于，其元素的摩爾百分含量：43%~45%的Al、5~15%的Nb、不高于O. 4%的Cr和余量的Ti及不可避免的雜質(zhì)。
2.按照權(quán)利要求1的一種含Cr高Nb新型β-YTiAl金屬間化合物材料，其特征在于，Nb的摩爾百分含量8~10%，Cr的摩爾百分含量不高于O. 4%。
3.按照權(quán)利要求1的一種含Cr高Nb新型β-YTiAl金屬間化合物材料，其特征在于，Nb的摩爾百分含量8%, Cr的摩爾百分含量O. 2%。
4.含Cr高Nb新型β-YTiAl金屬間化合物的制備方法，其特征在于，包括下述步驟： (1)、稱取如下原料：海綿欽、聞純招、招銀中間合金和電解絡(luò)片；其中控制Al、Nb、Cr和Ti元素的摩爾百分含量為43%~45%的Al、5~15%的Nb、不高于O. 4%的Cr和余量的Ti及雜質(zhì)； (2)、將步驟（I)稱得的原料通過(guò)金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，壓塊時(shí)自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解鉻片層和海綿鈦層； (3)、將步驟（2)得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱至300~350°C，將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至4. O~6. OXlO^mbar,以10~15kw/min增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至140~160kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉120~180s得熔體，使熔體混合均勻； (4)、將熔體澆鑄到預(yù)熱后的且離心旋轉(zhuǎn)的金屬鑄型中，形成含Cr高鈮TiAl金屬間化合物鑄錠，并隨爐冷卻。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，以lOkw/min增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉爐熔煉功率升至140~160kw且進(jìn)行離心澆注成型。
6.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，離心機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)選為150r/min。
7.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，(I)中海綿鈦的質(zhì)量純度為99.7%，高純鋁的質(zhì)量純度為99. 99%，鋁鈮中間合金的質(zhì)量純度為99. 8%，電解鉻片的質(zhì)量純度為99. 999%。
【文檔編號(hào)】C22C1/03GK103710606SQ201310688069
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】陳子勇, 宮子琪, 柴麗, 周峰, 相志磊 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)