AlC顆粒細(xì)化γ-TiAl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材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]γ -TiAl基合金是一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有高熔點(diǎn)、低密度、高彈性模量以及較好的高溫強(qiáng)度、阻燃能力、抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型輕質(zhì)耐熱高溫結(jié)構(gòu)材料，被認(rèn)為是極具競(jìng)爭(zhēng)潛力的下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用結(jié)構(gòu)材料之一。然而，TiAl金屬間化合物粗大的鑄態(tài)組織及低的室溫塑性限制了其廣泛應(yīng)用。數(shù)十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在TiAl金屬間化合物的組織和性能方面做了大量的探索與研究。結(jié)果顯示，通過(guò)加入一定量的合金元素，改變合金的凝固路徑，可以細(xì)化γ-TiAl的鑄態(tài)組織。含β相γ-TiAl基合金就是利用這種方法，通過(guò)降低Al含量和添加足夠量的β穩(wěn)定元素使合金由傳統(tǒng)的L —L+β — α…轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng) —L+β — β —…，得到細(xì)小的鑄態(tài)組織。但是含β相γ-TiAl基合金中Al元素的含量一般在43?45at%之間，而目前世界上應(yīng)用于鑄造的γ-TiAl基合金的Al含量在45?48at%之間，兩種合金的凝固路徑有本質(zhì)的區(qū)別，因此這種方法并不適用。同時(shí)研究者發(fā)現(xiàn)，在鑄造Y-TiAl基合金添加少量的單質(zhì)硼可以顯著的細(xì)化合金組織，但是由于單質(zhì)硼在熔煉過(guò)程中與TiAl合金熔體發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，導(dǎo)致鑄錠或鑄件中存在大量的氣孔，且其成本昂貴。碳具有與硼相似的特征，且其成本較低，并常在γ-TiAl基合金中用來(lái)提高合金的高溫抗婦變性能。然而，關(guān)于碳化物顆粒細(xì)化的γ-TiAl金屬間化合物材料的制備及碳化物在γ-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)明的目的是為了解決單質(zhì)硼在熔煉過(guò)程中與TiAl合金熔體發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，導(dǎo)致鑄錠或鑄件中存在大量的氣孔，且其成本昂貴的技術(shù)問(wèn)題，提供了一種Ti2AlC顆粒細(xì)化γ-TiAl金屬間化合物材料及其制備方法。
[0004]Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物材料按照原子數(shù)百分含量由46%?48%的Al、2 %的Nb、2 %的Cr、0.5?I %的TiC和余量的Ti組成。
[0005]Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:
[0006]一、按照原子數(shù)百分含量稱取46%?48%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.5?1%的TiC和余量的Ti的比例海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和TiC粉末；
[0007]二、將步驟一稱取得原料通過(guò)金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，得到壓塊，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、電解鉻層、TiC層和海綿鈦層；
[0008]三、將得到的壓塊放入到水冷銅坩禍感應(yīng)熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱至300?400°C，將水冷銅坩禍真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至1.0?3.0X 10 mbar,以10?15kW/min速率將熔煉功率升至85?90kW后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉壓塊300?360s，得熔體；
[0009]四、將熔體澆鑄到預(yù)熱后的金屬鑄型中，形成Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物鑄錠，并隨爐冷卻。
[0010]其中，海綿鈦的質(zhì)量純度為99.7%，高純鋁質(zhì)量純度為99.99 %，鋁鈮中間合金的質(zhì)量純度為99.8%，電解鉻的質(zhì)量純度為99.99%,TiC的質(zhì)量純度為99.99%;各原料為市售產(chǎn)品。
[0011]本發(fā)明確定了 TiC的最佳加入量范圍，在材料凝固過(guò)程中，TiC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 — a+Ti2AlC…，得到的γ-TiAl金屬間化合物材料顯微組織非常細(xì)小，層片團(tuán)尺寸100 μ m左右，形成的Ti2AlC相在組織中均勻分布。細(xì)小均勻、無(wú)明顯偏析的組織有利于改善合金的綜合性能。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是實(shí)驗(yàn)一制備的Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物材料掃描電子顯微圖；
[0013]圖2是實(shí)驗(yàn)二制備的Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物材料層片組織透射電子顯微圖；
[0014]圖3是實(shí)驗(yàn)二制備的Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物材料Ti2AlC顆粒透射電子顯微圖；
[0015]圖4是實(shí)驗(yàn)二制備的Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物材料中碳化物的選區(qū)衍射斑點(diǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0017]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式所述Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物材料按照原子數(shù)百分含量由46 %?48 %的Al、2 %的Nb、2 %的Cr、0.5?I %的TiC和余量的Ti組成。
[0018]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是所述Ti2AlC顆粒細(xì)化T-TiAl金屬間化合物材料按照原子數(shù)百分含量由47%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.6%的TiC和余量的Ti組成。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0019]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二之一不同的是所述Ti2AlC顆粒細(xì)化γ-TiAl金屬間化合物材料按照原子數(shù)百分含量由46%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.7%的TiC和余量的Ti組成。其它與【具體實(shí)施方式】一或二之一相同。
[0020]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是所述Ti2AlC顆粒細(xì)化γ-TiAl金屬間化合物材料按照原子數(shù)百分含量由48%的Al、2%的Nb、2%的Cr、
0.8%的TiC和余量的Ti組成。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0021]【具體實(shí)施方式】五:【具體實(shí)施方式】一所述Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物材料的制備方法，其特征在于Ti2AlC顆粒細(xì)化γ -TiAl金屬間化合物材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:
[0022]一、按照原子數(shù)百分含量稱取46%?48%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.5?1%的TiC和余量的Ti的比例海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和TiC粉末；
[0023]二、將步驟一稱取得原料通過(guò)金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，得到壓塊，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、電解鉻層、TiC層和海綿鈦層；
[0024]三、將得到的壓塊放入到水冷銅坩禍感應(yīng)熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱至300?400°C，將水冷銅坩禍真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至1.0?3.0X 10 mbar,以10?15kW/min速率將熔煉功率升至85?90kW后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉壓塊300?360s，得熔體；
[0025]四、將熔體澆鑄到預(yù)熱后的金屬鑄型中，形成Ti2AlC顆粒細(xì)化γ-TiAl金屬間化合物鑄錠，并隨爐冷卻。
[0026]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五不同的是步驟一中按照原子數(shù)百分含量稱取47%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.6%的TiC和余量的Ti。其它與【具體實(shí)施方式】五相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五或六不同的是步驟三中熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱至350°C。其它與【具體實(shí)施方式】五或六相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五至七之一不同的是步驟三中將水冷銅坩禍真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至2.0X 10 3mbar。其它與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
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