一種具有細(xì)小全層片組織的γ-TiAl金屬間化合物鑄錠及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種y-TiAl金屬間化合物鑄錠及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] y -TiAl基合金是一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有高熔點、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，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)為是極具競爭潛力的下一代航空發(fā)動機(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，國內(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，通過加入一 定量的合金元素，改變合金的凝固路徑，可以細(xì)化y-TiAl的鑄態(tài)組織。含0相y-TiAl 基合金就是利用這種方法，通過降低A1含量和添加足夠量的0穩(wěn)定元素使合金由傳統(tǒng)的 L -L+0 - a…轉(zhuǎn)變?yōu)長 -L+0 - 0 …，得到細(xì)小的鑄態(tài)組織。但是含0相y-TiAl 基合金中A1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y-TiAl基 合金的A1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。通過研究Ti-Al-B三元相圖發(fā)現(xiàn)，在1770K時有 L+a+TiB 2-L+a反應(yīng)發(fā)生。此反應(yīng)中，1182的溶解過程相較于單質(zhì)硼的劇烈放熱反應(yīng)較 為溫和，因此可在細(xì)化組織的同時降低鑄態(tài)組織中的缺陷。然而，關(guān)于TiB 2細(xì)化的y-TiAl 金屬間化合物材料的制備及1182在y-TiAl合金中的物理冶金行為尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供了一種具有細(xì)小全層片組織的Y-TiAl金屬間化合物鑄錠及其制備 方法。
[0004] 本發(fā)明的一種具有細(xì)小全層片組織的Y-TiAl金屬間化合物鑄錠按原子數(shù)百分 含量比例為A1 :46%~48%、Nb :2%、Cr :2%、TiB2:0. 25%~0? 5%和余量的Ti，由海綿 鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和TiB2粉末制成。
[0005] 上述的一種具有細(xì)小全層片組織的y -TiAl金屬間化合物鑄錠的制備方法是按 以下步驟進(jìn)行：
[0006] -、按原子數(shù)百分含量比例為 A1 :46%~48%、Nb :2%、Cr :2%、TiB2:0. 25%~ 0. 5%和余量的Ti，分別稱取海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和TiB2粉末；
[0007] 二、將步驟一稱取的原料通過金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，壓塊時自下而上各層分 別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解鉻層、TiB2粉末層和海綿鈦層，得到金屬壓 塊；
[0008] 三、將水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中的金屬鑄型預(yù)熱至300~400°C，然后將步驟二得 到的金屬壓塊放入水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中，抽真空至1.0X10 3~3. 0X10 3mbar，再以 10~15kW/min速率將熔煉功率升至80~90kW后熔煉300~360s得熔體，然后將熔體澆 鑄到預(yù)熱的金屬鑄型中，并隨爐冷卻，即得到具有細(xì)小全層片組織的Y-TiAl金屬間化合 物鑄錠；
[0009]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%，TiB2的質(zhì)量純度為99. 99% ;各原料為 市售廣品。
[0010] 本發(fā)明包括以下有益效果：
[0011] 本發(fā)明確定了 TiB2的最佳加入量范圍，在材料凝固過程中，TiBd^加入改變了合 金的凝固路線，由傳統(tǒng)的L -L+0 - a…變?yōu)長 -L+0 - L+0+TiB2- a+TiB2."，TiB2 顆粒為a相的形核提供額外的形核質(zhì)點。得到的y-TiAl金屬間化合物鑄錠顯微組織非 常細(xì)小，層片團(tuán)尺寸100 ym左右，形成的TiB2相在組織中均勻分布。細(xì)小均勻、無明顯偏 析的組織有利于改善合金的綜合性能。
【附圖說明】
[0012] 圖1為試驗一制備的具有細(xì)小全層片組織的y -TiAl金屬間化合物鑄錠的宏觀形 貌圖；
[0013]圖2為試驗一制備的具有細(xì)小全層片組織的y -TiAl金屬間化合物鑄錠的掃描電 子顯微圖；
[0014]圖3為試驗二制備的具有細(xì)小全層片組織的y -TiAl金屬間化合物鑄錠的X-射 線衍射的譜圖；其中，?為TiAl，?為Ti3Al，#:為TiB 2;
[0015]圖4為試驗二制備的具有細(xì)小全層片組織的y -TiAl金屬間化合物鑄錠的掃描電 子顯微圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0016] 一：本實施方式的一種具有細(xì)小全層片組織的y-TiAl金屬間化合 物鑄錠按原子數(shù)百分含量比例為A1 :46%~48%、Nb :2%、Cr :2%、TiB2:0. 25%~0. 5% 和余量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和TiB2粉末制成。
【具體實施方式】 [0017] 二：本實施方式一種具有細(xì)小全層片組織的y-TiAl金屬間化合物 鑄錠的制備方法是按以下步驟進(jìn)行：
[0018] -、按原子數(shù)百分含量比例為 A1 :46%~48%、Nb :2%、Cr :2%、TiB2:0. 25%~ 0. 5%和余量的Ti，分別稱取海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和TiB2粉末；
[0019] 二、將步驟一稱取的原料通過金屬壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊成型，壓塊時自下而上各層分 別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解鉻層、TiB 2粉末層和海綿鈦層，得到金屬壓 塊；
[0020] 三、將水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中的金屬鑄型預(yù)熱至300~400°C，然后將步驟二得 到的金屬壓塊放入水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中，抽真空至1.0X10 3~3. 0X10 3mbar，再以 10~15kW/min速率將熔煉功率升至80~90kW后熔煉300~360s得熔體，然后將熔體澆 鑄到預(yù)熱的金屬鑄型中，并隨爐冷卻，即得到具有細(xì)小全層片組織的Y-TiAl金屬間化合 物鑄錠；
[0021 ] 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%，TiB2的質(zhì)量純度為99. 99% ;各原料為 市售廣品。
[0022] 本實施方式包括以下有益效果：
[0023] 本實施方式確定了 TiB2的最佳加入量范圍，在材料凝固過程中，TiB2的加入改變 了合金的凝固路線，由傳統(tǒng)的L -L+f3 - a…變?yōu)長 -L+f3 - L+f3+TiB2- a+TiB2."， TiB2顆粒為a相的形核提供額外的形核質(zhì)點。得到的y-TiAl金屬間化合物鑄錠顯微組 織非常細(xì)小，層片團(tuán)尺寸100 ym左右，形成的TiB2相在組織中均勻分布。細(xì)小均勻、無明 顯偏析的組織有利于改善合金的綜合性能。
【具體實施方式】 [0024] 三：本實施方式與二不同的是：步驟三中金屬鑄型預(yù) 熱至350~400°C。其它與二相同。
【具體實施方式】 [0025] 四：本實施方式與二或三不同的是：步驟三中抽真空 至1.8X10 3~2. 0X10 3mbar。其它與二或三相同。
【具體實施方式】 [0026] 五：本實施方式與二至四之一不同的是：步驟三中以 10kW/min速率將熔煉功率升至85~90kW。其它與二至四之一相同。
【具體實施方式】 [0027] 六：本