一种大规格高Nb-TiAl合金铸锭的制备方法技术

一种大规格高Nb-TiAl合金铸锭的制备方法，获得的合金铸锭成分更加均匀、可控，纯度更高，合金铸锭中合金元素Al和Nb总含量更高，提高了高Nb-TiAl合金铸锭作为航空材料的安全性，适用于制造航空发动机转动部件；所得合金铸锭的化学成分重量百分比为Al：27～30％，Nb：13～20％，W+B+Y＝0～1％，O≤0.08％，N≤0.08％，余量为Ti及不可避免的杂质；所得合金铸锭尺寸大型化，重量可达吨级，形态多样化可以为圆锭或扁锭，圆锭直径为250～660mm，长度≥500mm；扁锭厚200～350mm，宽700～1200mm，长度≥1000mm。度≥1000mm。

【技术实现步骤摘要】
一种大规格高Nb-TiAl合金铸锭的制备方法


[0001]本专利技术涉及有色金属熔炼
，具体涉及一种大规格高Nb-TiAl合金铸锭的制备方法。

技术介绍

[0002]TiAl金属间化合物(也称TiAl合金)具有低密度(减重效果可达40～50％左右)、高强度、高模量、高蠕变抗力、抗燃烧等优异性能，低密度和高模量TiAl金属间化合物叶片的自振频率高于高温合金，有利于避免叶片因共振失效。该类合金基本可采用传统工艺进行制备，成为高温钛合金使用温度上限和高温合金使用温度下限区间减重的唯一候选材料，美国采用铸造TiAl合金应用于最新的波音787民用飞机的GEnx发动机，作低压涡轮后第6级和第7级叶片，单个发动机减轻重量约200磅。而且国内外TiAl金属间化合物的研究热点集中在发展更高使用温度的合金上。
[0003]高Nb-TiAl合金体系是由北京科技大学以陈国良院士为首的研究组提出，通过研制认为高Nb合金化是提高TiAl金属间化合物使用温度的最佳途径，在此基础上发展的有我国自主知识产权的高温高Nb-TiAl合金，比普通TiAl合金使用温度高60-100℃、强度高300～500MPa，其合金材料高温抗氧化性能已达到涡轮盘用镍基高温合金的控制水平。高Nb合金化被TiAl合金研究领域国际权威Y-W Kim教授肯定为发展高温高性能TiAl合金的“首例”，从此高Nb-TiAl合金受到国际上广泛关注，美、日、英、德均随后开展研究，并且把它作为TiAl合金中的研究重点，认为是最有希望的新一代高温高性能TiAl合金。国内外研究者大力推进高Nb含量的高温TiAl合金的成分、组织、性能、制备工艺和应用技术研究。
[0004]TiAl合金易生成脆性相且成分范围窄，因为冶金质量是决定其能否作为结构材料在航空航天领域应用的关键。TiAl合金中各组元熔点、平衡蒸气压及非平衡凝固偏析系数差异较大，导致铸锭中常产生成分偏析，尤其是含量较高的Al元素，一般都存在至少2％(原子分数)的偏析，且铸锭规格越大，这种宏观偏析现象越严重。
[0005]在TiAl合金的制备和加工技术方面，国外目前最常用的技术是等离子冷床炉熔炼和真空自耗熔炼相结合，然而普通真空自耗熔炼工艺无法制备大直径TiAl合金锭，因为TiAl合金自耗电极起弧后受热应力作用易发生开裂，且认为真空自耗熔炼TiAl合金锭直径不能大于280mm。国内科研院所使用实验室等离子冷床炉熔炼出重量为67kg、直径Ф150*900mm高Nb-TiAl合金锭，但铸锭尺寸和成分组织均匀性都还不能满足要求。
[0006]另外，国内外研究工作及经过多年的实践表明，冷床炉熔炼已成为优质钛合金、高温合金及TiAl系列金属间化合物产品的理想冶炼技术，并被认为是去除低密度“硬α夹杂”和高密度夹杂最有效的手段，例如中国专利CN200910023092.4、CN200810150329.0、CN201210500156.7，主要由以下几点决定：
[0007]第一，等离子冷床炉熔炼其热源温度非常高(理论可达6000℃)、保护氛围可有效降低炉内气氛中氮气分压，当等离子弧对料块进行扫描时，能直接融化钛及钛合金中的“硬α夹杂”(主要成分是TiN)和高密度夹杂(W、Mo、Nb等)。
[0008]第二，等离子炉的保护气氛可有效降低炉内气氛中氮气的分压，为低密度“硬α夹杂”分解提供了有利的热力学条件。
[0009]第三，由于冷床炉熔炼过程包含熔化后的熔炼、精炼和凝固三个过程，未溶解的夹杂进入熔池后，在熔池中有相当长的驻留时间，可以使高密度夹杂充分沉淀，低密度夹杂充分上浮，等离子弧对熔池液面表层扫描时有一定的射流搅拌作用，为漂浮夹杂物的溶解提供了良好的动力学条件。由于纯净化熔炼效果明显，近十年来，欧美国家利用冷床炉生产的钛合金，低密度夹杂和高密度夹杂的发现概率大幅度降低。
[0010]因此，利用等离子冷床熔炼技术也是解决大规格高Nb-TiAl合金纯净度不可替代的手段，关系到航空航天发动机、核电站等关键部件的安全性和可靠性。
[0011]中国专利201310728602.4公布了一种高Nb-TiAl基合金的熔炼方法，是采用压制、焊接、多次真空自耗熔炼获得；中国专利201910637522.5公布了一种高Nb-TiAl合金材料的制备方法，是利用磁控溅射技术结合箔冶金真空热压技术制备；中国专利2013105822389.0公布了一种高Nb-TiAl合金及其制备方法，采用两次真空磁悬浮熔炼通过充入高纯度Ar气制备小尺寸的圆锭。目前，国内未见使用等离子冷床炉工艺生产大规格、不同形状、且可达吨级的高Nb-TiAl合金铸锭的相关报道。

技术实现思路

[0012]本专利技术目的在于提供一种大规格高Nb-TiAl合金铸锭的制备方法，获得的合金铸锭成分更加均匀、可控，纯度更高，Al元素和Nb元素总含量更高，形态多样化可为圆锭或扁锭，尺寸大型化，重量可达吨级，提高了高Nb-TiAl合金铸锭作为航空材料的安全性，适用于制造航空发动机转动部件。
[0013]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0014]一种大规格高Nb-TiAl合金铸锭的制备方法，包括如下步骤：
[0015]1)电极块制备
[0016]将粒度为0.83～12.7mm的海绵钛45～55份、中间合金25～35份、铝丝10～20份和钇屑0～1份均匀混合、布料后压制成电极块；
[0017]2)熔炼
[0018]将获得的电极块装入等离子冷床炉加料器内，将与所述电极块合金成分比例均相同的原料装入等离子冷床炉熔炼区和精炼区，之后经过一次熔炼获得合金铸锭；
[0019]所述一次熔炼分为四个阶段：凝壳制造阶段、熔炼起弧阶段、稳定熔炼阶段、热封顶阶段；
[0020]所述凝壳制造阶段等离子冷床炉熔炼区和精炼区等离子火焰枪开启，所述等离子冷床炉熔炼区与精炼区等离子火焰枪电流为800～1500Amp；
[0021]所述熔炼起弧阶段等离子冷床炉熔炼区、精炼区和结晶器区等离子火焰枪均开启，所述等离子冷床炉熔炼区、精炼区和结晶器区的等离子火焰枪电流为800～1500Amp，熔速为50～150kg/h；
[0022]所述稳定熔炼阶段等离子冷床炉熔炼区、精炼区和结晶器区等离子火焰枪均开启，所述等离子冷床炉熔炼区等离子火焰枪电流为2800～3000Amp，所述等离子冷床炉精炼区等离子火焰枪电流为2400～2600Amp，所述等离子冷床炉结晶器区等离子火焰枪电流为
2500～3000Amp，熔速为150～450kg/h，送料速度300～400kg/h；
[0023]所述热封顶阶段等离子冷床炉熔炼区、精炼区等离子火焰枪关闭，等离子冷床炉结晶器区等离子火焰枪开启，所述等离子冷床炉结晶器区等离子火焰枪电流为2700～3000Amp；
[0024]3)冷却
[0025]获得的合金铸锭在等离子冷床炉内冷却，冷却时间≥5h，出炉温度≤400℃；
[0026]4)退火
[0027本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大规格高Nb-TiAl合金铸锭的制备方法，包括如下步骤：1)电极块制备将粒度为0.83～12.7mm的海绵钛45～55份、中间合金25～35份、铝丝10～20份和钇屑0～1份均匀混合、布料后压制成电极块；2)熔炼将获得的电极块装入等离子冷床炉加料器内，将与所述电极块成分比例均相同的原料装入等离子冷床炉熔炼区和精炼区，之后经过一次熔炼获得合金铸锭；所述一次熔炼分为四个阶段：凝壳制造阶段、熔炼起弧阶段、稳定熔炼阶段、热封顶阶段；所述凝壳制造阶段等离子冷床炉熔炼区和精炼区等离子火焰枪开启，所述等离子冷床炉熔炼区与精炼区等离子火焰枪电流为800～1500Amp；所述熔炼起弧阶段等离子冷床炉熔炼区、精炼区和结晶器区等离子火焰枪均开启，所述等离子冷床炉熔炼区、精炼区和结晶器区的等离子火焰枪电流为800～1500Amp，熔速为50～150kg/h；所述稳定熔炼阶段等离子冷床炉熔炼区、精炼区和结晶器区等离子火焰枪均开启，所述等离子冷床炉熔炼区等离子火焰枪电流为2800～3000Amp，所述等离子冷床炉精炼区等离子火焰枪电流为2400～2600Amp，所述等离子冷床炉结晶器区等离子火焰枪电流为2500～3000Amp，熔速为150～450kg/h，送料速度为300～400kg/h；所述热封顶阶段等离子冷床炉熔炼区、精炼区等离子火焰枪关闭，等离子冷床炉结晶器区等离子火焰枪开启，所述等离子冷床炉结晶器区等离子火焰枪电流为2700～3000Am...

【专利技术属性】
技术研发人员：许正芳，石磊，林均品，徐锋，赵欣，朱峰，丁晨，范永革，
申请(专利权)人：宝武特种冶金有限公司，
类型：发明
国别省市：