一种钛铝金属间化合物的熔炼制备方法技术

本发明专利技术是一种钛铝金属间化合物的熔炼制备方法，该方法采用海绵钛、铝豆及其它中间合金为原料，在冷坩埚真空感应悬浮熔炼炉坩埚中进行分层布料；抽真空后回填惰性气体并进行熔炼，熔炼过程中分阶段依次调高功率，最终将熔体浇注或在坩埚内冷却，得到成分均匀的合金。该熔炼方法不用压制电极，通过感应熔炼的电磁搅拌功能能够得到成分均匀、纯度高的合金。该方法特别适用于γ-TiAl、Ti3Al及Ti2AlNb等钛铝金属间化合物的熔炼制备。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术是，该方法采用海绵钛、铝豆及其它中间合金为原料，在冷坩埚真空感应悬浮熔炼炉坩埚中进行分层布料；抽真空后回填惰性气体并进行熔炼，熔炼过程中分阶段依次调高功率，最终将熔体浇注或在坩埚内冷却，得到成分均匀的合金。该熔炼方法不用压制电极，通过感应熔炼的电磁搅拌功能能够得到成分均匀、纯度高的合金。该方法特别适用于γ-TiAl、Ti3Al及Ti2AlNb等钛铝金属间化合物的熔炼制备。【专利说明】
本专利技术是，涉及金属合金材料冶金领域。
技术介绍
钛铝金属间化合物具有强度高、质量轻、抗氧化性好，及高温力学性能好等优点， 应用于航空发动及飞行器零部件，能够有效降低飞行器结构重量，提高飞行器续航能力及 飞行速度，同时还能提高燃油效率，降低飞行成本，具有很大的应用前景。但是由于该类型 合金的各组元之间的熔点、密度等物性差别大，导致很难获得成分均匀的合金；钛、铝等因 素反应活性高，且对间隙元素的敏感性高，在熔炼过程中极易遭受污染；合金元素溶解过程 的反应热高，熔炼过程不易控制，而合金成分容错度小，成分的微量变化往往会造成性能的 巨大差异。这样的特点给获得高质量的合金熔体和铸锭增加了困难，对该类合金的熔炼提 出了苛刻的要求。因此所以选择合适的熔炼工艺，获得成分均匀、准确、杂质含量低的钛错 金属间化合物是溶炼急需解决的问题。 真空感应凝壳熔炼技术（Induction Skull Melting, ISM)是目前世界上先进的熔 炼高反应性合金的方法之一。该方法使用由数个弧形的铜块组成坩埚，外部环绕感应线圈， 在熔炼过程中，置入交变电磁场内的每个铜块都产生感应电流，由于磁场的环状效应而在 坩埚内部形成一个强磁场，在金属炉料内产生强大的感应电流而使炉料迅速熔化。并且在 熔炼过程中，炉料熔体由于电磁斥力与坩埚之间保持非接触的悬浮翻滚状态，产生强烈的 搅拌作用，使熔体整体成分一致、温度均匀、气体最终含量较小；金属炉料由于水冷铜坩埚 的激冷作用而形成一层极薄的凝壳，把熔融的金属与坩埚壁隔开，阻断了合金熔体与铜坩 埚之间的反应，避免了坩埚材料对金属熔体的污染。因此，该方法是一种优良的熔炼钛铝金 属间化合物的方法。 但是，采用该方法熔炼钛铝金属间化合物也存在一些技术问题。首先，由于海绵 钛等原料与铝单质的熔炼差别达到近1000摄氏度，在真空熔炼过程中，海绵钛等原料熔化 时，铝已经大量蒸发，造成元素损失，给合金成分精确控制带来一定难度；另一方面由于钛、 铝等单质合金化是放热过程，熔炼过程中将产生大量的热，控制不当，将会造成喷溅甚至发 生热爆现象，对设备造成损伤。因此，利用真空感应凝壳熔炼技术熔炼钛铝金属间化合物具 有较高的技术门槛。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了 一种钛铝金属间化合 物的熔炼制备方法，其目的是为了进一步提高钛铝金属间化合物的均匀化程度，解决钛铝 金属间化合物感应熔炼发生喷溅或者热爆的问题。 本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的： 该种钛铝金属间化合物的熔炼制备方法，所述钛铝金属间化合物为TiAl合金、 Ti3Al合金和Ti2AlNb合金，其特征在于：该方法的步骤如下： ⑴称料 按照钛铝金属间化合物的成分配比，称取海绵钛、铝豆或铝块，及单质元素、中间 合金或单质元素加中间合金，按种类分别装在不同的容器中备用； 海绵钛的纯度是A级或OA级； 铝豆或铝块中纯铝的质量分数不小于99. 99% ; 单质元素是指吣、〇、1、]?0、]\111、了331'、附或8中的一种或几种； 中间合金是指AlNb合金、AlMo合金、AlMn合金、AlSi合金、AlV合金、AlY合金、 AlEr合金、TiSn合金、TiNb合金或TiB2合金中的一种或几种； ⑵布料 2. 1将原料分层装进水冷铜钳锅真空感应熔炼炉坩埚当中，在坩埚底部铺海绵钛 层I或者放置凝壳，该位于坩埚底部的海绵钛层I的厚度为1?5厘米； 2. 2在底部的海绵钛层I或凝壳上面铺单质元素层、中间合金层或单质元素层加 中间合金层，之后在上面再铺海绵钛层II，单质元素层及中间合金层的厚度为〇. 1?5厘 米，海绵钛层II的厚度为1?5厘米； 2. 3重复上述步骤2. 2至单质元素、中间合金原料用尽，然后铺铝豆或铝块层，最 后在铝豆或铝块层上面再铺海绵钛层III，海绵钛层III的厚度为1?5厘米； 所述凝壳的材料是与所制备合金具有相同成分的合金，或纯钛凝壳； ⑶关闭炉门后抽真空，抽真空按以下两种方式之一完成： 3. 1抽真空度达到IPa以下，回填氩气或氦气至300?30000Pa进行熔炼； 3. 2抽真空度达到IOPa以下后回填氩气或氦气，然后再次抽真空到IOPa以下后 回填氩气或氦气，反复进行1?5次以降低炉内氧、氮等气体元素含量，回填氩气或氦气至 300?30000Pa进行熔炼； ⑷烙炼 熔炼开始后，首先以20?100KW的功率对原料烘烤1?5分钟，然后提高功率至 原料周围出现红热后保温2?10分钟，直至坩埚内原料中心部位红透，再次提高功率至原 料周围出现液滴后保温1?10分钟，此时原料逐渐熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔 体温度达到合金熔点以上20?KKTC，并保温1?20分钟，悬浮的熔体在电磁搅拌作用下 实现成分均匀； (5)成型铸锭 再将功率提高1 %?20 %，提高熔体过热度，进一步降低熔体的粘度，保温0. 5? 5min后在坩埚内冷却或浇注成铸锭。 本专利技术涉及钛铝金属间化合物制备方法，采用散料进行感应熔炼，相对目前熔炼 钛合金常用的真空自耗熔炼方法，减少了压电极环节，有利于钛铝金属间化合物这类难以 压电极合金的制备；炉料熔化后形成的熔体在强烈的电磁力作用下流动，加速高熔点原料 熔化及扩散，能够消除高密度夹杂，制备出的合金成分均匀一致；根据不同原料的物理特点 进行分层布料，解决了该型合金在感应熔炼过程出现喷溅、热爆现象的问题；并通过控制熔 炼真空度，减少低熔点元素的挥发，提高熔炼合金成分的准确性，能有效实现对合金成分的 精确控制。 本专利技术主要用于制备成分均匀的Y-TiAl、Ti3Al及Ti2AlNb等钛铝金属间化合 物，具有十分重要的应用价值和广阔的应用市场。 【具体实施方式】 以下将结合实施例对本专利技术技术方案作进一步地详述： 实施例1 制备的钛铝金属间化合物为TiAl合金，设备采用20公斤水冷铜钳锅真空感应熔 炼炉，该方法的步骤如下： ⑴称料 按照钛铝金属间化合物的成分配比，称取OA级海绵钛5. 86kg、铝豆3. 24kg， AlNb75合金颗粒0. 63kg，铬粉0. 27kg，并分别装在不同的容器中备用； 铝豆或铝块中纯铝的质量分数99. 99% ; ⑵布料 2. 1在坩埚底部放置TiAl合金凝壳； 2. 2在凝壳上面铺海绵钛层II，厚度为2厘米，然后铺AlNb75合金颗粒层，厚度1 厘米，再铺铬粉层，厚度〇. 5厘米； 2. 3重复上述步骤2. 2过程4次将AlNb75合金颗粒及铬粉用尽，然后铺铝豆层，最 后在铝豆或铝块层上面再铺海绵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛铝金属间化合物的熔炼制备方法，所述钛铝金属间化合物为TiAl合金、Ti3Al合金和Ti2AlNb合金，其特征在于：该方法的步骤如下：⑴称料按照钛铝金属间化合物的成分配比，称取海绵钛、铝豆或铝块，及单质元素、中间合金或单质元素加中间合金，按种类分别装在不同的容器中备用；海绵钛的纯度是A级或0A级；铝豆或铝块中纯铝的质量分数不小于99.99％；单质元素是指Nb、Cr、W、Mo、Mn、Ta、Er、Ni或B中的一种或几种；中间合金是指AlNb合金、AlMo合金、AlMn合金、AlSi合金、AlV合金、AlY合金、AlEr合金、TiSn合金、TiNb合金或TiB2合金中的一种或几种；⑵布料2.1将原料分层装进水冷铜钳锅真空感应熔炼炉坩埚当中，在坩埚底部铺海绵钛层Ⅰ或者放置凝壳，该位于坩埚底部的海绵钛层Ⅰ的厚度为1～5厘米；2.2在底部的海绵钛层Ⅰ或凝壳上面铺单质元素层、中间合金层或单质元素层加中间合金层，之后在上面再铺海绵钛层Ⅱ，单质元素层及中间合金层的厚度为0.1～5厘米，海绵钛层Ⅱ的厚度为1～5厘米；2.3重复上述步骤2.2至单质元素、中间合金原料用尽，然后铺铝豆或铝块层，最后在铝豆或铝块层上面再铺海绵钛层Ⅲ，海绵钛层Ⅲ的厚度为1～5厘米；所述凝壳的材料是与所制备合金具有相同成分的合金，或纯钛凝壳；⑶关闭炉门后抽真空，抽真空按以下两种方式之一完成：3.1抽真空度达到1Pa以下,回填氩气或氦气至300～30000Pa进行熔炼；3.2抽真空度达到10Pa以下后回填氩气或氦气，然后再次抽真空到10Pa以下后回填氩气或氦气，反复进行1～5次以降低炉内氧、氮等气体元素含量,回填氩气或氦气至300～30000Pa进行熔炼；⑷熔炼熔炼开始后，首先以20～100KW的功率对原料烘烤1～5分钟，然后提高功率至原料周围出现红热后保温2～10分钟，直至坩埚内原料中心部位红透，再次提高功率至原料周围出现液滴后保温1～10分钟，此时原料逐渐熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔体温度达到合金熔点以上20～100℃，并保温1～20分钟，悬浮的熔体在电磁搅拌作用下实现成分均匀；⑸成型铸锭再将功率提高1％～20％，提高熔体过热度，进一步降低熔体的粘度，保温0.5～5min后在坩埚内冷却或浇注成铸锭。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱郎平，李建崇，南海，黄东，罗倩，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11