一種高Nb-TiAl合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高Nb-TiAl合金及其制備方法，屬于有色金屬熔煉領(lǐng)域，此合金的制備方法為兩次真空磁懸浮熔煉，并且兩次熔煉中采取不同的工藝制度充入高純Ar氣。所述第一次，先將物料置于坩堝中抽真空，再進(jìn)行在15-40kw在較低功率的預(yù)熱熔煉后充入高純Ar氣，然后將功率調(diào)至35-45kw使Al塊料完全熔化后，調(diào)至85-110kw熔煉后,停止加熱使合金隨水冷銅坩堝冷卻；第二次，抽真空，先低功率烘料后，將功率至85-110kw，待物料熔化后，充入高純Ar氣，將功率提高到110-125kw熔煉后降低至85-110kw澆注。通過上述熔煉工藝的合理設(shè)計，可以將高Nb-TiAl合金中的含氧量降低到300ppm，相比現(xiàn)有熔煉工藝，含氧量降低40%-70%。成分控制準(zhǔn)確的同時并且組織的均勻性得到顯著提高，合金中不存在裂紋以及非金屬夾雜缺陷，使其加工性能得到提高。
【專利說明】—種高Nb-TiAI合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于有色金屬熔煉領(lǐng)域，尤其涉及一種高Nb-TiAl合金及其真空磁懸浮熔煉工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]TiAl基金屬間化合物合金具有輕質(zhì)，高溫強度高，高溫抗氧化性好的特點，對于飛機發(fā)動機減重，提高發(fā)動機的推重比，降低能耗具有重要意義，高Nb含量的加入使TiAl合金的液相線溫度提高了約100°C，高溫強度提高了 30(T500MPa，并且研究表明Nb的添加顯著的提高了高溫抗氧化性，因此在航空發(fā)動機70(T90(TC的工作溫度內(nèi)具有很大的應(yīng)用潛力。
[0003]高Nb-TiAl合金的力學(xué)性能主要由組織所決定，合金中的偏析，夾雜，間隙雜質(zhì)元素均會引起組織以及力學(xué)性能的不均勻，并會進(jìn)一步影響擠壓，鍛造和軋制過程。高Nb-TiAl合金的組織受Al含量的影響較大，Al含量的不同會引起合金不同的凝固方式，產(chǎn)生不同固態(tài)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，并且Al元素相比于Ti和Nb具有優(yōu)先揮發(fā)性，因此在高Nb-TiAl合金制備過程中Al含量的控制需引起足夠的重視。具有高熔點的Ti在熔融下具有很強的吸氣性，因此高Nb-TiAl合金的含氧量相比鋼鐵材料高一個數(shù)量級。根據(jù)采取的制備工藝不同，其氧含量通常在50(Tl000wtppm，氧在TiAl合金中以間隙固溶和氧化物的形式存在，較高的氧含量不僅會惡化材料的力學(xué)性能，而且對TiAl合金凝固后的固態(tài)轉(zhuǎn)變也有較大影響，因此航空航天用材對TiAl合金的氧含量也有著嚴(yán)格的要求。
[0004]基于以上特點，高Nb-TiAl合金的制備廣泛采用真空冶煉以及水冷銅坩堝技術(shù)，常見的制備方式有真空自耗電弧熔煉法(VAR)，等離子束冷床熔煉法(PAM)，真空感應(yīng)熔煉法(ISM)。高Nb-TiAl合金的質(zhì)量與制備方法有關(guān)，同時還與制備工藝有關(guān)，但上述方法均存在合金的含氧量高、Al含量和成分的均勻性難以保證的問題，從而導(dǎo)致鍛造及軋制性能不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，現(xiàn)有技術(shù)中，高Nb-TiAl合金的成分不均勻、Al的揮發(fā)損失和含氧量高，從而影響其加工性能及高溫的力學(xué)性能。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。
[0007]一種高Nb-TiAl合金的制備方法，此制備方法為兩次真空磁懸浮熔煉，并且在兩次熔煉中采取不同的工藝制度。
[0008]上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述熔煉分為兩次，第一次，先將物料置于坩堝中抽真空，在低功率的預(yù)熱后充入高純Ar氣，然后將功率調(diào)至35-45kw使Al塊完全熔化后，將功率調(diào)至85-llOkw，熔煉15-25分鐘后，停止加熱使合金隨水冷銅坩堝冷卻；第二次，抽真空，先低功率35-45kw烘料后，將功率提升至85-llOkw，待物料熔化形成駝峰后，充入高純Ar氣，后將功率提高到110-125kw熔煉8_15分鐘，后將功率降低至85_110kw澆注。[0009]上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述第一次熔煉的工藝為，在水冷銅坩堝內(nèi)放置海綿鈦、高純Al ±夾，將AlNb74 (wt.%沖間合金放于布料斗中，當(dāng)真空度達(dá)到5.5X 10_3pa后，進(jìn)行功率為15-25kw、3-5分鐘的預(yù)熱后充入高純Ar氣使熔煉室達(dá)450Pa以上，再將功率加至35-45kw，使Al塊完全熔化物料氣體完全釋放后，將功率加到85-1 IOkw熔煉15-25分鐘，熔體駝峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中間合金，最后停止功率使合金熔體隨水冷銅坩堝冷卻；第二次熔煉的工藝為，抽真空至5.5X10_3pa后，進(jìn)行功率為35-45kw、5-15分鐘的預(yù)熱后，將功率升至85-llOkw熔煉，待坩堝中物料熔化形成駝峰后，封閉爐體并充入高純Ar氣，使熔煉室達(dá)360-400Pa，將熔煉功率加到115_125Kw熔煉8_15分鐘，后將功率降至85-llOkw澆注，得到本發(fā)明的高Nb-TiAl合金。
[0010]上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述第一次熔煉的工藝為，在水冷銅坩堝內(nèi)依次放置海綿鈦、高純Al塊，將AlNb74(wt.%)中間合金放于布料斗中，當(dāng)真空度達(dá)到5.5X IO^pa后，進(jìn)行功率為20kw、4分鐘的預(yù)熱后充入高純Ar氣使熔煉室達(dá)500Pa，再將功率加至40kw,使Al塊完全熔化物料氣體完全釋放后，迅速將功率加到IOOkw熔煉20分鐘，熔體駝峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中間合金，后停止功率使合金熔體隨水冷銅坩堝冷卻；第二次熔煉的工藝為，抽真空至5.5X 10_3pa后，進(jìn)行功率為40kw、10分鐘的烘料后，迅速將功率升至IOOkw熔煉，待坩堝中物料熔化形成駝峰后，封閉爐體并充入高純Ar氣，使熔煉室達(dá)400Pa，將熔煉功率加到120kw熔煉10分鐘后，將功率降至IOOkw澆注，得到本發(fā)明的高Nb-TiAl合金。
[0011]上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述物料在熔煉前進(jìn)行預(yù)處理，其處理工藝為，將物料用純度大于99.7%的無水乙醇清洗，并將其平鋪在室溫下風(fēng)干2小時以上。
[0012]上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述物料分別為純度高于99.99%的高純Al塊、工業(yè)用零級海綿鈦、AlNb74(wt.%)中間合金為顆粒狀。
[0013]上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述物料包括微量合金原料Cr、V、W、Mo、Mn、S1、B、Y，在熔煉前，將上述微量合金與AlNb74(wt.%)中間合金一起加入布料斗。
[0014]上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述物料的放置次序為，在水冷銅坩堝內(nèi)由底向上依次放的物料為海綿鈦、高純Al塊。
[0015]上述制備方法的優(yōu)選方案為，所述第二次熔煉前，將第一次熔煉后的鑄錠上下面翻轉(zhuǎn)后放入水冷坩堝內(nèi)，再進(jìn)行第二次熔煉。
[0016]本發(fā)明還涉及上述制備方法制得的高Nb-TiAl合金，所述合金的主要成分為Ti (45-48) at.%A1 (7-10) at.%Nb，合金中的含氧量低于 300ppm。
[0017]在第一次熔煉中，首先在15_25kw的熔煉功率下進(jìn)行預(yù)熱，以去除原料表面以物理吸附存在的氣體和水蒸氣；然后反充高純Ar至500Pa，一是防止稍后高功率下海綿鈦熔化中因溶解氣體迅速釋放而造成“熱爆”損失，二是降低Al塊熔化過程中的揮發(fā)速率。將功率提升至35-45kw，先使Al塊完全熔化，然后在85-115kw的高功率下利用其強烈的磁攪拌作用熔煉15-25分鐘，增強熔體成分的均勻性，但是由于坩堝水冷的作用，一次熔煉鑄錠底部仍然存在少量未熔的海綿鈦，因此在二次熔`煉中將一次熔煉鑄錠翻轉(zhuǎn)放入坩堝，并在35-45kw的熔煉功率下對一次熔煉鑄錠進(jìn)行預(yù)熱，然后迅速提升功率至85-110達(dá)到合金熔化的溫度，此時與一次熔煉不同的是，熔煉室仍然處于較高的真空度下(約I(T2Pa),因此在合金的熔化中，由于熔煉室較低的氧分壓，促進(jìn)了熔體脫氧的進(jìn)行。但是較高的真空度會加劇Al元素的揮發(fā)，因此在熔體駝峰形成后立刻將熔煉室封閉并反充高純Ar至400Pa以上控制Al元素的揮發(fā)，由于真空磁懸浮熔煉法物料在較短的時間內(nèi)即可熔化，因此這樣的工藝選擇即可以促進(jìn)熔體脫氧又可以抑制Al元素的揮發(fā)損失。此后將功率提升至110-125kw增加熔體的過熱度，并利用其磁攪拌作用熔煉8-15分鐘保證成分的均勻性。
[0018]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是，通過上述熔煉工藝的合理設(shè)計，可以將高Nb-TiAl合金中的含氧量降低到300ppm，相比現(xiàn)有熔煉工藝，含氧量降低40%_70%。成分控制準(zhǔn)確的同時組織的均勻性得到顯著提高，低倍組織觀察表明合金中不存在裂紋以及非金屬夾雜缺陷，使其加工性能得到提高，室溫力學(xué)性能測試結(jié)果表明，在相同成分下，相比于現(xiàn)有制備方法，使用本發(fā)明的制備方法使室溫塑性由0.2%提高到0.42%，斷裂強度由590MPa 提高到 640MPa。
[0019]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是實施例1-3制備的高Nb-TiAl合金鑄錠橫截面低倍照片；
圖2是實施例2制備的高Nb-TiAl合金顯微組織SEM組織；
圖3是實施例3制備的高Nb-TiAl合金不同位置的成分分布曲線；
圖4是實施例1-3制備的高Nb-TiAl合金含氧量與現(xiàn)有技術(shù)的對比圖；
圖5是實施例1制備的高Nb -TiAl合金抗拉強度-溫度關(guān)系曲線；
圖6是實施例1制備的高Nb-TiAl合金延伸率-溫度關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0021]實施例1
實驗所用名義成分T1-45Al-8.5Nb-0.2ff-0.2B-0.02Y(at.%)，原料分別為工業(yè)零級海綿鈦、高純Al塊(99.99%)、AlNb74 (wt.%)中間合金、高純度W粉、B粉、Y屑。原料分別使用無水乙醇浸泡清洗，后室溫下自然烘干2小時。第一次熔煉工藝首先將坩堝內(nèi)由底向上依次布置海綿鈦和高純Al塊，AlNb74中間合金和其他微合金元素放入布料斗，然后抽真空至5.5 X 10_3Pa。在15kw的功率下預(yù)熱3分鐘，后充入高純Ar氣使熔煉室達(dá)450Pa，再將功率加至35kw，使Al塊完全熔化物料氣體完全釋放后，將功率加到85kw熔煉15分鐘，熔體駝峰形成后加入布料斗中的原料，最后停止功率使合金熔體隨水冷銅坩堝冷卻；第二次熔煉的工藝為，抽真空至5.5X10_3pa后，進(jìn)行功率為35kw、5分鐘的預(yù)熱后，將功率升至85kw，待坩堝中物料熔化形成駝峰后，封閉爐體并充入高純Ar氣，使熔煉室真空度達(dá)360Pa，將熔煉功率加到115kw熔煉8分鐘，后將功率降至85kw澆注，得到本發(fā)明的高Nb-TiAl合金。
[0022]實施例2
實驗所用名義成分T1-46Al-7Nb-2.5V-1.0Cr (at.%)，原料分別為工業(yè)零級海綿鈦、高純 Al 塊(99.99%)、AlNb74 (wt.%)中間合金、電解 V (99.92%)、AlCr20 (wt.%)中間合金。原料分別使用無水乙醇浸泡清洗，后室溫下自然烘干2小時。第一次熔煉工藝首先將坩堝內(nèi)由底向上依次布置海綿鈦和高純Al塊，布料斗內(nèi)放入AlNb74中間合金、電解V、AlCr20中間合金，然后抽真空至5.5X10_3Pa。在20kw的功率下預(yù)熱4分鐘，后充入高純Ar氣使熔煉室達(dá)500Pa，再將功率加至40kw，使Al塊完全熔化物料氣體完全釋放后，將功率加到IOOkw熔煉20分鐘，熔體駝峰形成后加入布料斗中的原料，最后停止功率使合金熔體隨水冷銅坩堝冷卻；第二次熔煉的工藝為，抽真空至5.5X10_3pa后，進(jìn)行功率為40kw、10分鐘的預(yù)熱后，將功率升至lOOkw，待坩堝中物料熔化形成駝峰后，封閉爐體并充入高純Ar氣，使熔煉室真空度達(dá)380Pa，將熔煉功率加到120kw熔煉10分鐘，后將功率降至IOOkw澆注，得到本發(fā)明的高Nb-TiAl合金。
[0023] 實施例3 實驗所用名義成分T1-48Al-10Nb，原料分別為工業(yè)零級海綿鈦、高純Al塊(99.99%)、AlNb74(wt.%)中間合金。原料分別使用無水乙醇浸泡清洗，后室溫下自然烘干2小時。第一次熔煉工藝首先將坩堝內(nèi)由底向上依次布置海綿鈦和高純Al塊，布料斗內(nèi)放入AlNb74中間合金，然后抽真空至5.5X10_3Pa。在25kw的功率下預(yù)熱5分鐘，后充入高純Ar氣使熔煉室達(dá)500Pa，再將功率加至45kw，使Al塊完全熔化物料氣體完全釋放后，將功率加到IlOkw熔煉25分鐘，熔體駝峰形成后加入布料斗中的原料，最后停止功率使合金熔體隨水冷銅坩堝冷卻；所述第二次熔煉前，將第一次熔煉后的鑄錠上下面翻轉(zhuǎn)后放入水冷坩堝內(nèi)，再進(jìn)行第二次熔煉。第二次熔煉的工藝為，抽真空至5.5X10_3pa后，進(jìn)行功率為45kw、15分鐘的預(yù)熱后，將功率升至llOkw，待坩堝中物料熔化形成駝峰后，封閉爐體并充入高純Ar氣，使熔煉室真空度達(dá)400Pa，將熔煉功率加到125kw熔煉15分鐘，后將功率降至IlOkw澆注，得到本發(fā)明的高Nb-TiAl合金。
【權(quán)利要求】
1.一種高Nb-TiAl合金的制備方法，其特征在于，此制備方法為兩次真空磁懸浮熔煉，并且兩次熔煉采取不同的工藝制度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高Nb-TiAl合金的制備方法，其特征在于，所述熔煉分為兩次，第一次，先將物料置于坩堝中抽真空，在低功率的預(yù)熱后充入高純Ar氣，然后將功率調(diào)至35-45kw使Al塊完全熔化后，將功率調(diào)至85-1 lOkw，熔煉15-25分鐘后，停止加熱使合金隨水冷銅坩堝冷卻；第二次，抽真空，先低功率35-45kw烘料后，將功率提升至85-110kw，待物料熔化形成駝峰后，充入高純Ar氣，后將功率提高到110-125kw熔煉8_15分鐘，后將功率降低至85-1 IOkw澆注。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高Nb-TiAl合金的制備方法，其特征在于，所述第一次熔煉的工藝為，在水冷銅坩堝內(nèi)放置海綿鈦、高純Al塊，將AlNb74 (wt.%)中間合金放于布料斗中，當(dāng)真空度達(dá)到5.5X10_3pa后，進(jìn)行功率為15-3025kw、153-25分鐘的預(yù)熔煉熱后充入高純Ar氣使熔煉室達(dá)450450Pa以上，再將功率加至35_45kw，使Al塊完全熔化物料氣體完全釋放后，將功率加到9085-12010kw熔煉15-25分鐘，熔體駝峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中間合金，最后停止功率使合金熔體隨水冷銅坩堝冷卻；第二次熔煉的工藝為，抽真空至5.5X10_3pa后，進(jìn)行功率為35-45kw、5-15分鐘的預(yù)熱烘料后，將功率升至9085-12010kw熔煉，待坩堝中物料熔化形成駝峰后，封閉爐體并充入高純Ar氣，使熔煉室真空度達(dá)400360-400Pa，將熔煉功率加到115_125Kw熔煉8_15分鐘，后將功率降至9085-12010kw澆注，得到本發(fā)明的高Nb-TiAl合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高Nb-TiAl合金的制備方法，其特征在于，所述第一次熔煉的工藝為，在水冷銅坩堝內(nèi)依次放置海綿鈦、高純Al塊，將AlNb74 (wt.%)中間合金放于布料斗中，當(dāng)真空度達(dá)到5.5X 10_3pa后，進(jìn)行功率為20kw、204分鐘的預(yù)熱熔煉后充入高純Ar氣使熔煉室達(dá)500Pa，再將功率加至40kw，使Al塊完全熔化物料氣體完全釋放后，迅速將功率加到IOOkw熔煉20分鐘，熔體駝峰形成后加入布料斗中的AlNb74 (wt.%)中間合金，后停止功率使合金熔體隨水冷銅坩堝冷卻；第二次熔煉的工藝為，抽真空至5.5X 10_3pa后，進(jìn)行功率為40kw、10分鐘的烘料后，迅速將功率升至IOOkw熔煉，待坩堝中物料熔化形成駝峰后，封閉爐體并充入高純Ar氣，使熔煉室真空度達(dá)400Pa，將熔煉功率加到120kKw熔煉10分鐘后，將功率降至IOOkw澆注，`得到本發(fā)明的高Nb-TiAl合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高Nb-TiAl合金的制備方法，其特征在于，所述物料在熔煉前進(jìn)行預(yù)處理，其處理工藝為，將物料用純度大于99.7%的無水乙醇清洗，并將其平鋪在室溫下風(fēng)干2小時以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高Nb-TiAl合金的制備方法，其特征在于，所述物料分別為純度高于99.99%的高純Al塊、工業(yè)用零級海綿鈦、AlNb74(wt.%)中間合金為顆粒狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高Nb-TiAl合金的制備方法，其特征在于，所述物料包括微量合金原料為Cr、V、W、Mo、Mn、S1、B、Y，在熔煉前，將上述微量合金與AlNb74(wt.%)中間合金一起加入布料斗。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高Nb-TiAl合金的制備方法，其特征在于，所述物料的放置次序為，在水冷銅坩堝內(nèi)由底向上依次放的物料為海綿鈦、高純Al塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高Nb-TiAl合金的制備方法，其特征在于，所述第二次熔煉前，將第一次熔煉后的鑄錠上下面翻轉(zhuǎn)后放入水冷坩堝內(nèi)，再進(jìn)行第二次熔煉。
10.如權(quán)I所述制備方法制得的高Nb-TiAl合金，其特征在于，所述合金的主要成分為Ti (45-48) at.%A1 (7-10) at.%Nb，合金中的含氧量低于 300ppm。
【文檔編號】C22C1/03GK103572082SQ201310582389
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】林均品, 張志勇, 張來啟, 梁永峰, 郝國建 申請人:北京科技大學(xué)