具有稳定力学性能的定向凝固制造技术

本发明专利技术涉及一种具有稳定力学性能的定向凝固

【技术实现步骤摘要】
具有稳定力学性能的定向凝固TiAl基合金的制备方法


[0001]本专利技术属于高温活性材料特种凝固
，涉及一种具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备方法
。

技术介绍

[0002]TiAl
基合金是轻质高强的高温结构材料，目前
TiAl
基合金制成的航空发动机叶片已经能够实现对
Ni
基高温合金叶片的部分替代，这对于提高航空发动机推重比具有重要作用
。
[0003]定向凝固所获得的
TiAl
基合金柱状晶并不是普通意义上的晶粒，其晶粒内主要由
(
α2+
γ
)
片层组织组成，类似于钢中的珠光体组织，而
(
α2+
γ
)
片层方向与应力方向的夹角对力学性能的影响极大
。
例如，当拉伸应力与
(
α2+
γ
)
片层方向呈0°
～
30
°
角时，定向凝固合金具有高的抗拉强度和拉伸延伸率，而当拉伸应力方向与
(
α2+
γ
)
片层方向呈
30
°
～
90
°
角时，拉伸性能则较差；再例如，当裂纹扩展沿着
(
α2+
γ
)
片层进行时，合金对裂纹的阻力极小，相应地表现出极低的韧性，而当裂纹垂直于
(r/>α2+
γ
)
片层扩展时，合金对裂纹的阻力极大，相应地表现出极高的韧性
。
由上可知，当制备的工件具有粗大的柱状晶组织，且其中一个或几个柱状晶相对于应力方向具有不利的
(
α2+
γ
)
片层方向时，则工件将会具有极低的力学性能，甚至低于批次工件所要求的最低性能指标，这尤其对于必须确保绝对安全的航空航天领域是不可接受的
。
[0004]综上，提升定向凝固
TiAl
基合金力学性能的稳定性是一个亟待解决的难题
。
而现有的技术手段在解决此问题方面尚存在空白，这严重影响着该合金工件的使用安全，限制了该合金的推广使用
。

技术实现思路

[0005]专利技术目的
[0006]解决定向凝固
TiAl
基合金力学性能稳定性差的问题，本专利技术提供一种具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备方法
。
[0007]技术方案
[0008]一种具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一
、
配料：利用单质和中间合金原料配置原子百分比成分为
Ti
‑
(40
～
50)Al
‑
(1
～
10)M
的待熔物料；其中，
Ti
占余量，
M
指合金化元素
Nb、Cr、V、Mo、W、Hf、Fe
和
Mn
；配料过程中
Nb、Cr、V、Mo、W、Hf
和
Mn
以纯度
≥99.9
％的
M
‑
Al
中间合金形式加入，
Ti
和
Fe
以纯度
≥99.9wt.
％的单质形式加入；配料过程中先计算所需
M
‑
Al
中间合金的量，仍缺少的
Al
以纯度
≥99.9wt.
％的单质形式补充加入；接下来，在所述待熔物料中额外多添加所述待熔物料总质量的
3wt.
％～
5wt.
％的
Al
作为烧损；
[0010]步骤二
、
添加细晶元素：在步骤一最终配置好的待熔物料中，加入
B、Y
和
C
元素，可以添加一种，或添加任意两种，或三种同时添加，其中，
B
元素以纯度
≥99.9wt.
％的
TiB2中
间合金形式加入，
Y
元素以纯度
≥99.9wt.
％的
YAl2中间合金或
AlY
中间合金形式加入，
C
元素以纯度
≥99.9wt.
％的
TiC
中间合金形式加入；
[0011]步骤三
、
母合金铸锭制备：利用超声波振动辅助电磁冷坩埚悬浮熔炼技术，将步骤二最终制备好的原料在氩气保护气氛下进行熔炼，熔炼后浇铸成为母合金铸锭，熔炼过程和浇铸过程都需要施加超声波振动，铸锭凝固后关闭超声波振动装置；
[0012]步骤四
、
定向凝固制备：使用超声波振动辅助电磁冷坩埚定向凝固装置技术，从母合金锭中切取料棒，在氩气保护气氛保护下对合金进行超声波振动辅助电磁冷坩埚定向凝固制备；电磁冷坩埚定向凝固过程中始终伴有超声波振动辅助；
[0013]步骤五
、
制备结束：先关闭电磁冷坩埚定向凝固装置，然后关闭超声波振动辅助装置，待制备产品冷却后取出，至此完成了具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备
。
[0014]进一步的，所述步骤一中单质和中间合金均为＜
30mm
的颗粒
。
[0015]进一步的，所述步骤二中，是利用冷喷涂的方法加入
B、Y、C
元素的，添加的
B、Y、C
元素总原子量为步骤一最终配置好的待熔物料总量的
0.05at.
％～
0.3at.
％，冷喷涂过程中气体采用压缩空气，气压为5～
15
个大气压
。
[0016]进一步的，所述步骤二中，
TiB2中间合金
、YAl2中间合金
、AlY
中间合金和
TiC
中间合金为粉末状，需要过
50
目筛
。
[0017]进一步的，所述步骤三中，原料在
200Pa
～
500Pa
氩气保护气氛下进行熔炼，熔炼温度在
1600℃
～
1800℃
，保持该温度
15min
～
25min
，熔炼后浇铸成为直径
100mm
～
300mm、
高度
150mm
～
300mm
的母合金铸锭，熔炼过程和浇铸过程都需要施加超声波振动，超声波振动的频率为
60kHz
～...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一
、
配料：利用单质和中间合金原料配置原子百分比成分为
Ti
‑
(40
～
50)Al
‑
(1
～
10)M
的待熔物料；其中，
Ti
占余量，
M
指合金化元素
Nb、Cr、V、Mo、W、Hf、Fe
和
Mn
；配料过程中
Nb、Cr、V、Mo、W、Hf
和
Mn
以纯度
≥99.9
％的
M
‑
Al
中间合金形式加入，
Ti
和
Fe
以纯度
≥99.9wt.
％的单质形式加入；配料过程中先计算所需
M
‑
Al
中间合金的量，仍缺少的
Al
以纯度
≥99.9wt.
％的单质形式补充加入；接下来，在所述待熔物料中额外多添加所述待熔物料总质量的
3wt.
％～
5wt.
％的
Al
作为烧损；步骤二
、
添加细晶元素：在步骤一最终配置好的待熔物料中，加入
B、Y
和
C
元素，可以添加一种，或添加任意两种，或三种同时添加，其中，
B
元素以纯度
≥99.9wt.
％的
TiB2中间合金形式加入，
Y
元素以纯度
≥99.9wt.
％的
YAl2中间合金或
AlY
中间合金形式加入，
C
元素以纯度
≥99.9wt.
％的
TiC
中间合金形式加入；步骤三
、
母合金铸锭制备：利用超声波振动辅助电磁冷坩埚悬浮熔炼技术，将步骤二最终制备好的原料在氩气保护气氛下进行熔炼，熔炼后浇铸成为母合金铸锭，熔炼过程和浇铸过程都需要施加超声波振动，铸锭凝固后关闭超声波振动装置；步骤四
、
定向凝固制备：使用超声波振动辅助电磁冷坩埚定向凝固装置技术，从母合金锭中切取料棒，在氩气保护气氛保护下对合金进行超声波振动辅助电磁冷坩埚定向凝固制备；电磁冷坩埚定向凝固过程中始终伴有超声波振动辅助；步骤五
、
制备结束：先关闭电磁冷坩埚定向凝固装置，然后关闭超声波振动辅助装置，待制备产品冷却后取出，至此完成了具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备
。2.
根据权利要求1所述的具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备方法，其特征在于：所述步骤一中单质和中间合金均为＜
30mm
的颗粒
。3.
根据权利要求1所述的具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，是利用冷喷涂的方法加入
B、Y、C
元素的，添加的
B、Y、C
元素总原子量为步骤一最终配置好的待熔物料总量的
0.05at.
％～
0.3at.
％，冷喷涂过程中气体采用压缩空气，气压为5～
15
个大气压
。4.
根据权利要求1或3所述的具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，
TiB2中间合金
、YAl2中间合金
、AlY
中间合金和
TiC
中间合金为粉末状，需要过
50
目筛
。5.
根据权利要求1所述的具有稳定力学性能的定向凝固
TiAl
基合金的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，原料在
200Pa
～
500Pa
氩气保护气氛下进行熔炼，熔炼温度在
1600℃
～
1800℃
，保持该温度
15min
～
25min
，熔炼后浇铸成为直径
100mm
～
...

【专利技术属性】
技术研发人员：董书琳，曲迎东，李广龙，张伟，吴威，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：