一种提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法及制备的钛铝合金技术

本发明专利技术涉及一种提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法及制备的钛铝合金，属于钛铝合金定向凝固技术领域。为解决定向凝固过程中熔体易污染的问题，本发明专利技术提供了提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法，在电磁冷坩埚定向凝固成形设备中，钛铝合金铸锭圆棒在向下运动过程中在电磁感应加热的作用下熔化并逐滴滴落至熔池中，熔池向下运动在冷却液作用下定向凝固得到定向凝固钛铝合金试样。本发明专利技术实现了熔体与坩埚的软接触，有效降低了钛铝合金在熔铸过程中的熔体污染，通过W、Cr和B元素的微量添加，提高了钛铝合金的使用温度，细化了柱状晶组织和条带状B2相间距，增强了强韧化效果，实现了钛铝合金在轴向上力学性能的提高。高。高。

An alloying method for improving the high temperature properties of directionally solidified titanium aluminum alloy and its prepared titanium aluminum alloy

【技术实现步骤摘要】
一种提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法及制备的钛铝合金


[0001]本专利技术属于钛铝合金定向凝固
，尤其涉及一种提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法及制备的钛铝合金。

技术介绍

[0002]钛铝合金由于其低密度、高比强度和比刚度、良好的抗氧化性和抗蠕变性，较高的抵抗裂纹扩展抗力等特点，在航空航天和汽车能源领域有着非常广泛地应用前景，TiAl基合金与现在广泛使用的镍基高温合金相比，具有优越的高温性能，使用温度可达700～900℃，而且密度仅为镍基高温合金的一半，因此被认为是有望成为镍基高温合金的替代材料，可广泛应用于航空发动机和汽车的高温部件，如涡轮盘、叶片和排气阀等。在航空航天用高温结构材料方面，对于钛铝合金而言，需要保证其构件具备较高的高温强度和优异的服役性能。近些年来国内外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。为了满足更高工况条件的使用要求，需要添加其他元素比如Nb、Cr、V、W、B等元素以强化钛铝合金基体相。研究发现，Cr、V等合金化元素对塑性和再结晶有利；Nb、W等合金化元素具有强烈的β稳定作用，可以提高钛铝合金熔点，并且起到固溶强化的作用。然而，β稳定元素的大量添加会造成明显的偏析和产生大块B2相，会对合金的力学性能产生影响，因此如何对钛铝合金的组织进行有效调控从而提高其强韧化作用是迫切需要解决的问题。
[0003]目前应用的钛铝合金主要采用锻造和精密铸造的方法，其使用温度常常低于750℃。为了进一步提高钛铝合金的使用温度，需要进一步优化钛铝合金的成分，并采用新的工艺制备方法制备高性能的钛铝合金。根据罗尔斯罗伊斯航空发动机叶片的发展过程可知：镍基高温合金叶片发展过程经历了：锻造
→
精密铸造
→
定向凝固
→
单晶四个过程，在其发展过程中，由锻造到精密铸造是为了获得大晶粒尺寸的合金，由精密铸造到定向凝固是为了消除横向晶界，由定向凝固到单晶是为了完全消除晶界，获得组织一致的单晶合金。对于高温合金而言，横向晶界是其致命的弱点，通过定向凝固消除横向晶界，可以大幅提升合金的高温性能。显然定向凝固技术是提高钛铝合金高温性能的一种有效方法，但由于钛铝合金的化学活泼型很高，现阶段常用于定向凝固的陶瓷模壳基本都与钛铝合金熔体反应，会导致最终定向凝固组织中引入大量杂质，导致钛铝合金高温力学性能大幅降低。

技术实现思路

[0004]为解决定向凝固过程中熔体易污染的问题，同时进一步提高钛铝合金的高温性能，本专利技术提供了一种提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法及制备的钛铝合金。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]一种提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一、制备钛铝合金铸锭，所述钛铝合金铸锭中含有W 0.38
‑
0.42at.％、Cr 0.58
‑
0.62at.％和B 0.08
‑
0.12at.％；
[0008]步骤二、将电磁冷坩埚定向凝固成形设备中的水冷铜坩埚置于封闭的热处理炉内，水冷铜坩埚外设置有电磁感应线圈，将由所述钛铝合金铸锭加工得到的合金铸锭圆棒固定在电磁冷坩埚定向凝固成形设备的上送料杆上，所述合金铸锭圆棒的下端部伸入水冷铜坩埚中，含有冷却液的容器置于水冷铜坩埚的正下方，所述容器内设置有下抽拉杆，下抽拉杆上端固定有底料，在保护气体气氛中进行定向凝固，所述合金铸锭圆棒在一定加热功率下熔化，保温状态下，启动上送料杆和下抽拉杆，所述合金铸锭圆棒在向下运动过程中在电磁感应加热的作用下熔化并逐滴滴落至熔池中，熔池向下运动在冷却液作用下定向凝固得到定向凝固钛铝合金试样。
[0009]进一步的，步骤一所述钛铝合金的成分配比由以下组分原子百分比组成：Ti 46.36
‑
45.44at.％、Al 45.80
‑
46.20at.％、Nb 6.80
‑
7.20at.％、W 0.38
‑
0.42at.％、Cr 0.58
‑
0.62at.％和B 0.08
‑
0.12at.％。
[0010]进一步的，步骤一所述钛铝合金为Ti
‑
46Al
‑
7Nb
‑
0.4W
‑
0.6Cr
‑
0.1B合金。
[0011]进一步的，步骤一所述钛铝合金的成分配比由以下组分原子百分比组成：Al 45.89at.％、Nb 7.08at.％、W 0.44at.％、Cr 0.63at.％、B 0.11at.％，余量为Ti，且各组分之和为100％。
[0012]进一步的，步骤二所述钛铝合金由一次电弧熔炼和二次真空感应熔炼制备得到。
[0013]进一步的，步骤二所述定向凝固成形设备中的水冷铜坩埚为水冷分段铜坩埚，其中有8个垂直狭缝，内径30mm，高度130mm。
[0014]进一步的，步骤二所述定向凝固成形设备中的电磁感应线圈为四匝水冷感应线圈，在定向凝固过程中以45～50kW加热功率对水冷铜坩埚内的合金铸锭圆棒进行加热并使其熔化。
[0015]进一步的，步骤二所述冷却液为液态Ga
‑
In
‑
Sn，帮助建立必要的沿铸锭轴向的温度梯度。
[0016]进一步的，步骤二定向凝固过程中，根据合金铸锭圆棒的直径与水冷铜坩埚内径为基础，依据熔池体积不变的原则计算上送料杆向下运动的速率和下抽拉杆向下运动的速率。
[0017]进一步的，当合金铸锭圆棒的直径为23mm，水冷铜坩埚的内径为30mm时，上送料杆向下运动的速率为1.08mm/min，下抽拉杆向下运动的速率为0.5mm/min。
[0018]进一步的，步骤二所述保护气体气氛为300Pa氩气环境。
[0019]一种本专利技术提供的提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法所制备的钛铝合金。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021]本专利技术通过在钛铝合金成分中添加少量W、Cr的β相稳定化元素，起到固溶强化合金基体作用的同时避免产生过量的硬脆B2相，大幅提高钛铝合金高温力学性能的同时不破坏其定向凝固的效果，对进一步提高钛铝合金的使用温度，实现工程化应用具有十分重要的意义。
[0022]本专利技术通过添加细化元素B元素，能够获得连续生长的柱状晶组织，显著细化了钛铝合金的柱状晶组织和条带状B2相间距。所添加的B元素产生TiB相，能够起到阻碍裂纹扩展和阻碍位错运动的作用，显著增强了高铌钛铝合金强韧化的效果。
[0023]本专利技术定向凝固方法沿热流方向定向排列的柱状晶组织，不仅能够有效地调整柱状晶方向和片层取向，对于高铌钛铝合金还能够对B2相形态和尺寸进行有效调控，从而实现钛铝合金在轴向上力学性能的显著提高。
[0024]本专利技术提供的提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法实现了熔体与坩埚的软接触，有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、制备钛铝合金铸锭，所述钛铝合金铸锭中含有W 0.38
‑
0.42at.％、Cr 0.58
‑
0.62at.％和B 0.08
‑
0.12at.％；步骤二、将电磁冷坩埚定向凝固成形设备中的水冷铜坩埚置于封闭的热处理炉内，水冷铜坩埚外设置有电磁感应线圈，将由所述钛铝合金铸锭加工得到的合金铸锭圆棒固定在电磁冷坩埚定向凝固成形设备的上送料杆上，所述合金铸锭圆棒的下端部伸入水冷铜坩埚中，含有冷却液的容器置于水冷铜坩埚的正下方，所述容器内设置有下抽拉杆，下抽拉杆上端固定有底料，在保护气体气氛中进行定向凝固，所述合金铸锭圆棒在一定加热功率下熔化，保温状态下，启动上送料杆和下抽拉杆，所述合金铸锭圆棒在向下运动过程中在电磁感应加热的作用下熔化并逐滴滴落至熔池中，熔池向下运动在冷却液作用下定向凝固得到定向凝固钛铝合金试样。2.根据权利要求1所述一种提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法，其特征在于，步骤一所述钛铝合金的成分配比由以下组分原子百分比组成：Ti 46.36
‑
45.44at.％、Al 45.80
‑
46.20at.％、Nb 6.80
‑
7.20at.％、W 0.38
‑
0.42at.％、Cr 0.58
‑
0.62at.％和B 0.08
‑
0.12at.％。3.根据权利要求1所述一种提高定向凝固钛铝合金高温性能的合金化方法，其特征在于，步骤一所述钛铝合金为Ti
‑
46Al
‑
7Nb

【专利技术属性】
技术研发人员：丁宏升，徐雪松，黄海涛，梁贺，陈瑞润，郭景杰，傅恒志，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：