本设计研究了一种减小定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层界面反应的合金设计方法，属于改善钛铝合金铸造质量的方法。其具体步骤如下：设计不同Nb含量的TiAl合金，后进行定向凝固过程得到铸件。在显微硬度仪上进行维氏显微硬度测试，由此确定出界面反应层厚度。试样界面处的元素分布分析采用德国布鲁克Quantax400-10型能量色散谱仪；试样表面的物相分析采用德国布鲁克D8AdanceX射线衍射仪。铸件反应层以及铸件基体的组织形貌观察分析采用美国FEIQuanta TM250型扫描电子显微镜。经过合金设计的定向凝固钛铝合金铸件，加以相应的分析和测试，形象具体的得到界面反应程度，进而很好的评价了相应的钛铝合金铸件质量，得到了优化铌成分后的钛铝合金铸件。
【技术实现步骤摘要】
本设计研究了一种减小定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层界面反应的合金设计方法，属于改善钛铝合金铸造质量的方法。
技术介绍
TiAl合金密度低、比强度高、比刚度高、耐热性好，具有高的抗高温蠕变性能和抗氧化能力，是综合性能最好的轻质高温合金，是超高音速飞行器和下一代先进航空发动机的首选材料，因此成为轻质合金中研究的重点。目前，TiAl基合金大部分采用粉末冶金技术、铸造和铸锭冶金技术生产。TiAl是一种脆性金属间化合物。TiAl合金目前实际使用的最大障碍是该化合物的室温脆性和难变形加工性。因此，铸造技术正代替铸锭冶金和锻件加工技术，日渐成为TiAl合金工业化生产的主流。铸造TiAl合金在技术上是可靠的，学术界及工业界认为在设计上做一些调整后TiAl基合金可取代镍基合金用于某些发动机部件。研究者主要将眼光集中在TiAl基合金精密铸造技术上。精密铸造技术是最早运用于TiAl基合金的成形技术。它主要包括熔模铸造和金属模铸造，前者主要用于制备形状复杂的TiAl基合金部件，后者则用于制备形状比较规则、产量大的部件。采用熔模精密铸造工艺制备TiAl基合金构件可缩短制造周期，降低材料消耗，并可采用蜡模组装工艺整体精铸出多个构件的组合体，常用于复杂航空航天、汽车工业耐热构件的成形，该方法可得到无余量或近无余量的精密复杂构件，制造成本与机械加工相比大幅度下降。但铸件存在晶粒组织粗大、强度较低、合金凝固收缩较大及凝固组织疏松等缺点。定向凝固技术可以消除横向晶界获得致密的组织，提高合金的持久强度和塑性，改善热冲击抗力和蠕变强度，在工业和高
具有非常重要和广泛的应用。采用定向凝固技术制备的TiAl合金铸件由于显微组织得到显著细化而且定向排列，从而大幅度提高TiAl合金构件的服役能力。TiAl合金与铸型之间的界面反应是TiAl合金浇注过程中普遍存在的问题。在TiAl合金铸造过程中，由于熔融的合金具有很高的化学活性，在浇注时与铸型涂层材料发生反应，产生了一系列的铸造缺陷，如铸件表面污染层、气孔、针孔、缩松等，这些缺陷劣化了钛合金铸件的内部及表面质量，影响铸件的尺寸精度，直接影响了铸件的质量和性能；与此同时，定向凝固过程中界面反应的存在还会在铸件表面形成污染层，破坏柱状晶体的连续生长，改变晶体的生长方向，减弱定向凝固铸件的机械性能。因此，对TiAl合金熔体与铸型表面之间的界面反应进行研究，掌握TiAl合金熔体与铸型界面的反应机制，发现其规律，进而控制钛合金与铸型材料的界面反应程度。这对生产出优质的TiAl合金、提升机械行业的整体实力具有非常重要的意义。迄今，国内外许多学者已经对钛合金熔体与铸型材料的界面反应进行一定的研究，但研究主要集中在对工艺参数的选择和优化上。而Nb含量对于改善钛铝合金的机械性能尤其是高温机械性能具有重要的作用。但是其在钛铝合金中含量与界面反应程度的关系，则还缺少统一的认识。故通过系列实验对比不同Nb含量的钛铝合金在相同条件下的界面反应程度，得到最优的Nb含量比例，对于今后的钛铝合金成分优化具有重要的意义。
技术实现思路
技术问题：本文针对定向凝固得到的不同Nb含量的钛铝合金铸件，面对其在整个定向凝固过程中由于高温与铸型涂层材料发生污染和反应等问题，结合微观组织、元素扩散、物相变化和硬度分布对相应铸件界面反应程度作出评价，以期能找出最佳的合金成分比例，进而改善钛铝合金铸件的质量，降低后续处理的成本。为达到上述技术问题，本设计是通过以下技术方案实现的，其包括如下步骤：a.采用立式离心式真空感应熔铸炉熔铸不同Nb含量的钛铝合金铸件。完成后快冷铸态取样，并去除试样表面的油污、水锈和氧化皮等，其具体过程如图1所示；b.选用Al2O3作为坩埚材料，Y2O3作为型壳内壁涂层材料，涂层的涂刷厚度约为0.5mm，坩埚规格位内径6.5mm、外壁8mm，涂层的烧结制度为950℃×2h；c.从母锭中部电火花切取直径6mm的合金棒，打磨并去除氧化皮，用丙酮清洗烘干后放入内涂Y2O3层的Al2O3型壳。使用真空感应加热布里奇曼炉进行定向凝固过程，d.设计合理的定向凝固参数，并采用快速升温、保温、快冷结合的工艺；e.采用扫描电子显微镜观察界面处的微观形貌，相应界面处的元素分布分析采用能量色散谱仪测试。通过X射线衍射仪分析试样表面的物相组成。结合显微硬度计得到界面附近的显微硬度。通过本实验过程，合理的选择定向凝固工艺参数，并根据严格的实验步骤和实验要求，获得了外观和内在质量致密度很高，表面光滑的铸件，实现了对界面反应程度的客观评价。根据铸件的成分和尺寸选择定向凝固温度和保温时间，并匹配合适的真空度。之后切割清洗，进行相应的组织和性能测试，并对相应区域的元素扩散和物相组成进行检测，得到对界面反应程度的客观评价。本文对不同Nb含量钛铝合金铸件在定向凝固中的表面污染情况的检测和分析，优选出较佳的Nb含量配比，为钛铝合金铸件质量的提高和成本的降低起到了相应的促进作用。附图说明图1是界面处扫描照片图。图2元素在界面处的扩散图。图3界面处的物相组成图。图4界面至基体的硬度分布图。具体实施方式一种测量钛铝合金与铸型涂层界面反应程度的方法。（1）母锭铸造，实验原料分别为海绵Ti、Al粉、Cr粉、AlV和AlNb颗粒(粒状325目)，配料比例按成分部分的参数选取，得到的最终配比见表1。实验采用立式离心式真空感应熔铸炉进行熔铸，炉中真空度保持在0.5Pa左右后通入Ar气保护，反复三次后保持真空度在0.08Pa左右，泄压率<0.1Pa/mm。熔铸成型后将铸锭倒扣放入再次熔铸，反复三次使铸锭元素分布均匀，取点检验成分分布。达到要求后的铸锭作为定向凝固的母锭；（2）从上述合金锭上线切割切取中部直径6mm的合金棒，磨去除表层氧化皮，用丙酮超声清洗后在120℃烘干1h备用；（3）选用Al2O3作为坩埚材料，Y2O3作为型壳内壁涂层材料，涂层的涂刷厚度约为0.5mm，坩埚规格位内径6mm、外壁10mm，涂层的烧结制度为950℃×2h；（4）对铸型进行分段加热，第一段为室温至1300℃，加热时间3h，第二段为1300℃至设定的温度。加热温度及保温时间等工艺参数见表3。抽拉长度为100mm。冷却过程选用镓铟液态金属作为冷却液。之后关闭电源，试样随炉冷却至室温取出；（5）接着对试样进行磨制，抛光后在HVS-50数显显微硬度仪上进行维氏显微硬度测试，测试范围为从界面向合金基体处变化。在5N的负载下以最小5um的间隔进行测量，加载时间为15s，每个位置测量3次取平均值，由此确定出界面反应层厚度。试样界面处的元素分布分析采用德国布鲁克Quantax400-10型能量色散谱仪；试样表面的物相分析采用德国布鲁克D8AdanceX射线衍射仪，其测试条件为电压40kV，电流30mA，阳极靶材料为Cu靶。铸件反应层以及铸件基体的组织形貌观察分析采用美国FEIQuantaTM250型扫描电子显微镜；试样测试结果如下：扫描试验：对界面反应本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种减小定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层界面反应的合金设计方法，其特征在于包括如下步骤： a. 保持工艺参数恒定，通过合金设计，母锭中分别加入不同含量的Nb元素，母锭由立式离心真空感应熔铸炉炼制，完成后快冷铸态取样，并去除试样表面的油污、水锈和氧化皮等； b. 选用Al2O3作为坩埚材料，Y2O3作为型壳内壁涂层材料，涂层的涂刷厚度约为0.5mm，坩埚规格位内径6.5mm、外壁8mm，涂层的烧结制度为950℃×2h； c. 从母锭中部电火花切取直径6mm的合金棒，打磨并去除氧化皮，用丙酮清洗烘干后放入内涂Y2O3层的Al2O3型壳；使用真空感应加热布里奇曼炉进行定向凝固过程；d. 选用合理的定向凝固参数，并采用快速升温、保温、快冷结合的工艺；e.在HVS‑50数显显微硬度仪上进行维氏显微硬度测试，测试范围为从界面向合金基体处变化；在5N的负载下以最小5um的间隔进行测量，加载时间为15s，每个位置测量3次取平均值，由此确定出界面反应层厚度；试样界面处的元素分布分析采用德国布鲁克Quantax400‑10型能量色散谱仪；试样表面的物相分析采用德国布鲁克D8AdanceX射线衍射仪，其测试条件为电压40kV，电流30mA，阳极靶材料为Cu靶；铸件反应层以及铸件基体的组织形貌观察分析采用美国FEIQuanta TM250型扫描电子显微镜。...
【技术特征摘要】
1.一种减小定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层界面反应的合金设计方法，其特征在于包括如下步骤：
a.保持工艺参数恒定，通过合金设计，母锭中分别加入不同含量的Nb元素，母锭由立式离心真空感应熔铸炉炼制，完成后快冷铸态取样，并去除试样表面的油污、水锈和氧化皮等；
b.选用Al2O3作为坩埚材料，Y2O3作为型壳内壁涂层材料，涂层的涂刷厚度约为0.5mm，坩埚规格位内径6.5mm、外壁8mm，涂层的烧结制度为950℃×2h；
c.从母锭中部电火花切取直径6mm的合金棒，打磨并去除氧化皮，用丙酮清洗烘干后放入内涂Y2O3层的Al2O3型壳；使用真空感应加热布里奇曼炉进行定向凝固过程；
d.选用合理的定向凝固参数，并采用快速升温、保温、快冷结合的工艺；
e.在HVS-50数显显微硬度仪上进行维氏显微硬度测试，测试范围为从界面向合金基体处变化；在5N的负载下以最小5um的间隔进行测量，加载时间为15s，每个位置测量3次取平均值，由此确定出界面反应层厚度；试样界面处的元素分布分析采用德国布鲁克Quantax400-10型能量色散谱仪；试样表面的物相分析采用德国布鲁克D8AdanceX射线衍射仪，其测试条件为电压40kV，电流30mA，阳极靶材料为Cu靶；铸件反应层以及铸件基...
【专利技术属性】
技术研发人员：隋艳伟，冯坤，程成，戚继球，何业增，委福祥，孟庆坤，孙智，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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