一种双重结构TiAl合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双重结构TiAl合金及其制备方法，所述的TiAl合金成分原子百分比为TiaAlb，其中49＜a＜50.6，49.4＜b＜51，a+b=100，其主体为柱状晶，且在柱状晶的晶界处内生γ相等轴晶；制备TiAl合金的步骤为：根据TiAl二元合金体系相图选择合适成分；采用水冷铜坩埚和真空非自耗电弧熔炼炉制备圆柱棒母合金；采用光学浮区晶体生长装置对母合金进行定向凝固，得到所述的双重结构TiAl合金。本发明专利技术的双重结构TiAl合金具有柱状晶和等轴晶组织，其中等轴晶组织在柱状晶晶界处，可保持柱状晶组织的性能特点，可以简单有效改善合金性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，所述的TiAl合金成分原子百分比为TiaAlb，其中49＜a＜50.6，49.4＜b＜51，a+b=100，其主体为柱状晶，且在柱状晶的晶界处内生γ相等轴晶；制备TiAl合金的步骤为：根据TiAl二元合金体系相图选择合适成分；采用水冷铜坩埚和真空非自耗电弧熔炼炉制备圆柱棒母合金；采用光学浮区晶体生长装置对母合金进行定向凝固，得到所述的双重结构TiAl合金。本专利技术的双重结构TiAl合金具有柱状晶和等轴晶组织，其中等轴晶组织在柱状晶晶界处，可保持柱状晶组织的性能特点，可以简单有效改善合金性能。【专利说明】 一种双重结构T i AI合金及其制备方法
本专利技术属于轻质高强结构材料
，具体涉及。
技术介绍
TiAl合金具有低密度、高比强、良好的高温性能以及优异的抗氧化性能等优点，是以克为减重单位的航空航天高温用，特别是发动机用最佳候选材料。美国GE公司成功利用T1-48Al-2Cr-2Nb(4822)合金研制了波音飞机后两级低压涡轮叶片，使单个飞机发动机减重200Kg左右。空中客车公司利用锻造TiAl合金，制造了PW1100G发动机叶片，并已成功试飞。此外，汽车增压涡轮叶片等部件对TiAl合金都具有大量应用需求。虽然TiAl合金具有不可替代的显著优点，但是其室温脆性导致了TiAl合金难以加工，并限制了其在高温部件上的进一步应用。制备TiAl基复合材料是众多用来改善TiAl合金室温脆性问题的一种有效方法，但是其一般采用外加复合的方法，其界面问题突出，不能有效提高性能。比如，崔喜平等人利用固液反应法制备增强体层状分布的TiAl基复合材料板(《金属学报》，2013年)，事实上该方法并没有很有效的改善TiAl合金的室温性能，原因就是硬脆的TiB2富集层在界面处造成的。此外，陈光课题组发现利用定向凝固方法制备柱状晶或者单晶TiAl合金也可提高TiAl合金室温塑性(一种高强高塑TiAl合金材料及其制备方法，专利申请号:201410529844.5)，然而该方法得到TiAl单晶的成功率比较低，很难得以商业应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。实现本专利技术目的的技术解决方案为:一种双重结构TiAl合金，所述合金原子百分比表达式为TiaAlb,其中49<a<50.6，49.4<b<51，a+b=100，所述TiAl合金主体为柱状晶，且在柱状晶的晶界处内生γ相等轴晶。—种制备上述双重结构的TiAl合金的方法，包括以下步骤: 第一步:根据目标TiAl合金成分选取原料，确定其合金原子百分比表达式为TiaAlb，其4349<a<50.6,49.4<b<51,a+b=100； 第二步:采用水冷铜坩祸悬浮熔炼炉反复熔炼至少4次上述原料，然后采用真空非自耗电弧熔炼炉制备直径为6-8_的TiAl合金圆柱棒； 第三步:在氩气流保护下，采用光学浮区晶体生长装置对圆柱棒合金进行定向凝固，得到所述的双重结构TiAl合金。第一步中，原料的纯度不小于99.999%。第二步中，水冷铜坩祸悬浮熔炼炉中的真空度小于10—2Pa，真空非自耗电弧熔炼炉的真空度小于I (T2Pa。第三步中，光学浮区晶体生长时，下端为长度在20-30mm的籽晶棒，上端为长度小于190mm的T iAl合金圆柱棒作为送料棒，两者成分相同；定向凝固时将送料棒与籽晶棒同轴且垂直于水平面以相距l-3mm的间距设置，且该间距位于四个灯丝聚焦中心处;通入流量在3-5L/min的惰性气体(氩气或者氮气)进行保护，并调节籽晶棒和送料棒反方向同速旋转，转速为30r/min，在5min之内将功率均匀升至65.5%，调整送料棒与籽晶棒相互接触，保温5-1Omin后至浮区稳定时，调节生长速率为5-20mm/h，开始进行定向凝固，凝固结束后缓慢降低功率，同时并将已凝固试样与剩余送料棒试样进行缓慢分离。本专利技术与现有技术相比，具有显著优点: (I)本专利技术的TiAl双重结构可看成是复合材料中的一种，但是为内生复合，解决了复合材料中固有的界面问题；(2)本专利技术是利用光学浮区晶体生长装置独特的发热特点，一步制备出的双重结构TiAl合金复合材料方法简单，对复合材料的制备具有重要参考价值;(3)本专利技术的TiAl合金主体组织仍为柱状晶，可保持柱状晶组织的性能特点，因此也可以简单有效改善合金性能。下面结合附图对本专利技术作详细描述。【附图说明】图1是TiAl合金二元体系相图。图2是实施例1的定向凝固TiAl合金固液界面显微组织(a为整体图，b为a中放大区域的线扫描成分能谱图)。图3是实施例1的定向凝固TiAl合金光学显微组织(a为整体图，b为a中放大区域的组织图)。图4是对比例I的非双重结构柱状组织TiAl合金显微组织。图5是对比例2的非双重结构单晶TiAl合金显微组织。图6是本专利技术对比例3的稳定段为非双重结构单晶TiAl合金显微组织。【具体实施方式】实施例1 (1)根据图1所示的TiAl合金二元体系相图，选择纯度为99.999%的高纯Ti和Al原料，配比成分为Ti5OAl5O的合金，以使合金可发生L+α— γ相变。在真空度为3 X 10—3Pa的悬浮熔炼炉中反复熔炼4次;然后将熔炼好的合金在相同真空度下，采用真空非自耗电弧熔炼炉熔炼直径为6mm的圆柱棒； (2)在氩气流保护下的光学浮区晶体生长装置中进行定向凝固，下端为长度在20-30mm的籽晶棒，上端为长度小于190mm的TiAl合金圆柱棒作为送料棒，两者成分相同；定向凝固时将送料棒与籽晶棒同轴且垂直于水平面设置，送料棒与籽晶棒相距l_3mm，且该间距位于四个灯丝聚焦中心处;通入流量在4L/min的惰性气体氮气进行保护，并调节籽晶棒和送料棒反方向同速旋转，转速为30r/min，在5min之内将功率均匀升至65.5%，调整送料棒与籽晶棒相互接触，保温1min后至浮区稳定时，调节生长速率为15mm/h，开始进行定向凝固，待试样进行一段时间后，迅速切断电流，以保留固液区形貌。图2为固液区形貌，枝晶臂与枝晶干成60°，说明其为α相凝固。(3)对固液形貌处选区进行线扫描，发现黑色组织为富Al相。由于光学浮区独特的发热特点，其中心处温度低，结合TiAl合金相图可知，当Al富集到一定程度后，会发生L+a—γ相变。因此，中心处会存留γ相。而两侧温度高，来不及发生L+α— γ相变，α相在随后的冷却中会生成片层组织。具体的组织如图3所示，这样就可得到双重结构的TiAl合金。实施例2 米用成分为Ti5Q.5Al49.5的合金，米用直径为8mm的圆柱棒，在20mm/h的生长速率下进行定向凝固，其他条件同实施例1，依然可得到如实施例1所述的双重结构TiAl合金。实施例3 采用成分为Ti49Al5i的合金，采用直径为6mm的圆柱棒，在15mm/h的生长速率下进行定向凝固，其他条件同实施例1，依然可得到如实施例1所述的双重结构TiAl合金。对比例I 采用成分为Ti56Al44的合金，在生长速率为15mm/h情况下进行定向凝固，其他同实施例1，得到如图4所示的稳定段为非双重结构柱状组织TiAl合金。对比例2 采用成分为Ti57.2Al42.8的合金，在生长速率为15mm/h情况下进行定向凝固，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双重结构TiAl合金，其特征在于，所述合金原子百分比表达式为TiaAlb，其中，49＜a＜50.6，49.4＜b＜51，a+b=100，所述TiAl合金主体为柱状晶，且在柱状晶的晶界处内生γ相等轴晶。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈光，祁志祥，葛志军，李沛，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32