一種V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金及其制備方法
【專利摘要】一種V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金及其制備方法，屬于合金【技術領域】。元素的摩爾百分含量為:43%～45%的Al、5～15%的Nb、不高于0.5%的V、不高于1.0%的Mn和余量的Ti及不可避免的雜質。按照組成將原料通過壓塊成型，壓塊時將海綿鈦置于模具內側邊緣，然后自下而上分層放置高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解錳片層、鋁釩中間合金層和海綿鈦層。將壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐中，抽真空熔煉得熔體，使熔體混合均勻；將熔體澆鑄到事先預熱好的且離心旋轉的金屬鑄型模具中進行離心旋轉澆鑄，并隨爐冷卻。本發明得到了組織均勻細小且無明顯偏析的TiAl合金。
【專利說明】—種V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAI合金及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高Nb-TiAl合金及其制備工藝，尤其涉及一種V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金及其制備方法,屬于合金【技術領域】。
【背景技術】
[0002]TiAl合金由于其低密度、低膨脹系數、高比強度、高彈性模量以及較好的高溫抗蠕變抗氧化性能等優點，被認為是非常具有應用前景的輕質耐高溫結構材料，可應用于航空、航天以及汽車等領域。然而，TiAl合金室溫塑性低和熱加工性能差等缺點限制了其廣泛應用。科學工作者通過對TiAl合金的組織、塑性和變形方面的大量研結果顯示，β相凝固可以有效地提高TiAl合金的力學性能和熱加工性能。隨著TiAl合金向著高溫高性能方向發展，Nb元素變成了 TiAl合金中非常重要的一種添加元素，它可以提高TiAl合金的強度和高溫抗氧化性能。現有的研究僅是集中在單一添加β相穩定元素的高Nb-TiAl合金，而關于多元合金化的β相凝固高Nb-TiAl合金材料的制備及多元β相穩定元素V和Mn在高Nb-TiAl合金中的物理冶金行為尚未見報道。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供一種通過在合金熔煉的過程中添加多元β相穩定元素V和Mn使得合金凝固路線由傳統的包晶反應凝固轉變成β相凝固，進而改善合金材料組織性能的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金材料及其制備方法。
[0004]本發明的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金材料，其特征在于，其元素的摩爾百分含量為:43~45%的Al、5~15% (優選8%)的Nb、不高于0.5%的V、不高于1%的Mn和余量的Ti及不可避免的雜質。
[0005]本發明的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金的制備方法,通過下述步驟實現的:
[0006](1)、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、鋁釩中間合金和電解錳片；其中控制Al、Nb、V、Mn和Ti元素的摩爾百分含量為43%~45%的Al、5~15%的Nb、不高于0.5%的V、不高于1%的Mn和余量為Ti及不可避免的雜質；
[0007](2)、將步驟(1)稱得的原料通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時先將海綿鈦置于模具四周內側邊緣，然后在海綿鈦圍成的區域內部自下而上各層分別為高純鋁層、鋁鈮中間合金層、鋁釩中間合金層、電解錳片層和海綿鈦層；
[0008](3)將步驟(2)得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型模具預熱至300~350°C，水冷銅坩堝真空感應熔煉爐抽真空至
1.0~3.0X lCr3mbar,以20~30kw/min (優選20kw/min)增長速率將水冷銅?甘禍真空感應熔煉爐熔煉功率升至160~170kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉200~250s得熔體，使熔體混合均勻；
[0009](4)將步驟(3)中的熔體澆鑄到事先預熱好的且離心旋轉的金屬鑄型模具中，離心機轉速優選為120171^11，形成￥、111合金化β相凝固高Nb-TiAl合金鑄錠，并隨爐冷卻。
[0010]本發明步驟(1)中海綿鈦的質量純度為99.78%，高純鋁的質量純度為99.99%，鋁鈮中間合金的質量純度為99.86%，電解錳片的質量純度為99.99%，鋁釩中間合金的質量純度為99.6% ;各原料為市售產品。
[0011]本發明確定了 V和Mn的最佳加入量范圍，在材料凝固過程中，V和Mn的加入改變了合金的凝固路線，由傳統的L —L+β — α —…變為L —L+β — β —…，得到的高Nb-TiAl合金顯微組織非常細小，且無明顯偏析出現，形成的β相主要出現在片層晶團晶界處并呈網狀分布。細小均勻、無明顯偏析的組織有利于合金的熱加工性，改善合金的綜合性能。
[0012]本發明得到了均勻細小且無明顯偏析的的TiAl合金組織，且采用水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐熔煉并進行離心澆注，工藝過程簡單易操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1實施例1的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金T1-45Al_8Nb-0.5V-1.0Mn鑄態合金光學顯微組織圖；
[0014]圖2實施例1的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金T1-45Al_8Nb-0.5V-1.0Mn鑄態合金X-射線衍射譜圖；
[0015]圖3實施例1的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金T1-45Al-8Nb_0.5V-1.0Mn鑄態合金掃描電子顯微圖；
[0016]圖4實施例2 的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金T1-43Al-8Nb_0.1V-0.1Mn鑄態合金光學顯微組織圖；
[0017]圖5實施例2的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金T1-43Al-8Nb_0.1V-0.1Mn鑄態合金X-射線衍射譜圖；
[0018]圖6實施例2的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金T1-43Al-8Nb_0.1V-0.1Mn鑄態合金掃描電子顯微圖；
[0019]圖7 實施例 3 的 V、Mn 合金化 β 相凝固高 Nb-TiAl 合金 T1-44Al-8Nb_0.5V-0.35Mn鑄態合金光學顯微組織圖；
[0020]圖8 實施例 3 的 V、Mn 合金化 β 相凝固高 Nb-TiAl 合金 T1-44Al-8Nb_0.5V-0.35Mn鑄態合金X-射線衍射譜圖；
[0021]圖9 實施例 3 的 V、Mn 合金化 β 相凝固高 Nb-TiAl 合金 T1-44Al-8Nb_0.5V-0.35Mn鑄態合金掃描電子顯微圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合實施例對本發明做進一步說明，但本發明并不限于以下實施例。以下真空感應懸浮熔煉爐的容量為5公斤。
[0023]實施例1
[0024]本實施例的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金制備通過下述步驟實現:一、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解錳片和鋁釩中間合金，其中Ti46at.%、A145at.%、Nb8at.%、V0.5at.%、Mnl.0at.% ;二、將步驟一稱得的原料通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時先將海綿鈦置于模具內側邊緣，然后在海綿鈦圍成的區域內部部自下而上分層放置高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解錳片層、鋁釩中間合金層和海綿鈦層；三、將步驟二得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型預熱至350°C，將水冷銅坩堝真空感應熔煉爐抽真空至3.0X 10_3mbar ;四、以20kw/min增長速率將水冷銅坩堝真空感應熔煉爐熔煉功率升至170kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉220s得熔體，使熔體混合均勻；五、將熔體澆鑄到預熱后的且離心旋轉的金屬鑄型中，離心機轉速優選為120r/min，鑄錠尺寸為Φ 60 X 180mm，并隨爐冷卻，得到T1-45Al-8Nb-0.5V-1.0Mn 合金鑄錠。
[0025]米用電火花線切割方法從鑄錠上切取15X 15X IOmm試樣。金相與掃描試樣經金相砂紙從180目磨到3000目，然后在磨拋機上進行機械拋光，之后再用電解拋光機精拋；X射線衍射試樣經水洗砂紙從180目磨到1000目，再用超聲震蕩機清洗表面；透射樣品為0.5mm厚的薄片,用砂紙磨到40um厚,再采用雙噴減薄技術制備。利用金相顯微鏡觀察T1-45Al-8Nb-0.5V-1.0Mn的顯微組織發現，TiAl合金的組織為細小的等軸晶組織，見圖1 ;利用XRD(X射線衍射儀)進行分析發現，合金中除了 ％和gamma相之外，還有β相出現，見圖
2;利用掃描電子顯微鏡和電子探針進行分析發現，白色亮相主要分布在片層晶團晶界處并呈網狀分布，見圖3。
[0026]實施例2
[0027]本實施例的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金制備通過下述步驟實現:一、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解錳片和鋁釩中間合金，其中Ti48.8at.%、A143at.%、Nb8at.%、V0.lat%、Mn0.lat.% ;二、將步驟一稱得的原料通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時先將海綿鈦置于模具內側邊緣，然后在海綿鈦圍成的區域內部自下而上分層放置高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解錳片層、鋁釩中間合金層和海綿鈦層；三、將步驟二得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型模具預熱至310°C，將水冷銅坩堝真空感應熔煉爐抽真空至1.2 X IO^mbar ;四、以20kw/min增長速率將水冷銅坩堝真空感應熔煉爐熔煉功率升至160kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉200s得熔體，使熔體混合均勻；五、將熔體澆鑄到預熱后的且離心旋轉的金屬鑄型中，離心機轉速優選為120r/min，鑄錠尺寸為Φ 60 X 180mm，并隨爐冷卻，得到T1-43Al-8Nb-0.1V-0.1Mn 合金鑄錠。
[0028]米用電火花線切割方法從鑄錠上切取15X 15X IOmm試樣,金相與掃描試樣經金相砂紙從180目磨到3000目，再用電解拋光機精拋；X射線衍射試樣經水洗砂紙從180目磨到1000目，再用無水乙醇清洗表面，透射樣品為0.5mm厚的薄片，用砂紙磨到40um厚，再采用雙噴減薄技術制備。利用金相顯微鏡觀察T1-43Al-8Nb-0.1V-0.1Mn的顯微組織發現，TiAl合金的組織呈細小的等軸晶組織，見圖4 ;利用XRD (X射線衍射儀)進行分析發現，合金中除了 ％和Y相之外，還有β相出現，見圖5 ;利用掃描電子顯微鏡和電子探針進行分析發現，白色亮相主要分布在片層晶團晶界處并呈網狀分布，見圖6。
[0029]實施例3
[0030]本實施例的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金制備通過下述步驟實現:一、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解錳片和鋁釩中間合金，其中Ti47.15at.%、A144at.%、Nb8at.%、V0.5at%、Mn0.35at.% ;二、將步驟一稱得的原料通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時先將海綿鈦置于模具內側邊緣，然后在海綿鈦圍成的區域內部自下而上分層放置高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解錳片層、鋁釩中間合金層和海綿鈦層；三、將步驟二得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型模具預熱至330°C，將水冷銅坩堝真空感應熔煉爐抽真空至2.4X 10_3mbar ；四、以20kw/min增長速率將水冷銅坩堝真空感應熔煉爐熔煉功率升至170kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉240s得熔體，使熔體混合均勻；五、將熔體澆鑄到預熱后的且離心旋轉的金屬鑄型中，離心機轉速優選為120r/min，鑄錠尺寸為Φ 60 X 180mm，并隨爐冷卻，得到 T1-44Al-8Nb-0.5V-0.35Mn 化合物鑄錠。
[0031]米用電火花線切割方法從鑄錠上切取15X 15X IOmm試樣,金相與掃描試樣經金相砂紙從180目磨到3000目，再用電解拋光機精拋；X射線衍射試樣經水洗砂紙從180目磨到1000目，再用無水乙醇清洗表面，透射樣品為0.5mm厚的薄片，用砂紙磨到40um厚，再采用雙噴減薄技術制備。利用金相顯微鏡觀察T1-44Al-8Nb-0.5V-0.35Mn的顯微組織發現，TiAl合金的組織呈細小的等軸晶組織，見圖7 ;利用XRD(X射線衍射儀)進行分析發現，合金中除了 ％和Y相之外，還有β相出現，見圖8 ;利用掃描電子顯微鏡和電子探針進行分析發現，白色亮相主要分布在片層晶團晶界處并呈網狀分布，見圖9。
[0032]實施例4
[0033](I)、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻片和電解錳片；其中控制Al、Nb、V、Mn和Ti元素的摩爾百分含量為43%~45%的Al、8%的Nb、0.1~0.5%的V、0.1~1.0%的Mn和余量的Ti及雜質；
[0034](2)、將步驟(1)稱得的原料通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時先將海綿鈦置于模具內側邊緣，然后在海綿鈦圍成的區域底部自下而上分層放置高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解錳片層、鋁釩中間合金層和海綿鈦層；
[0035](3)將步驟(2)得到`的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型模具預熱至300~350°C，水冷銅坩堝真空感應熔煉爐抽真空至1.0~3.0X lCr3mbar,以20~30kw/min (優選20kw/min)增長速率將水冷銅?甘禍真空感應熔煉爐熔煉功率升至160~170kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉200~250s得熔體，使熔體混合均勻；
[0036](4)將步驟(3)中的熔體澆鑄到事先預熱好的且離心旋轉的金屬鑄型模具中，離心機轉速優選為120r/min，形成含V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金鑄錠，并隨爐冷卻。
[0037]采用與實施例1、實施例2和實施例3相同的表征得到的V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金材料顯微組織細小均勻且無明顯偏析，組織中出現了亮白色的β相，主要分布在片層晶團晶界處并呈網狀分布。
【權利要求】
1.一種V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金，其特征在于，元素的摩爾百分含量:43%~45%的Al、5~15%的Nb、不高于0.5%的V、不高于1.0%的Mn和余量的Ti及不可避免的雜質。
2.按照權利要求1的一種V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金,其特征在于，Nb的摩爾百分含量8%，V的摩爾百分含量不高于0.5%, Mn的摩爾百分含量不高于1.0%。
3.按照權利要求1的一種V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金,其特征在于，Nb的摩爾百分含量8%，V的摩爾百分含量0.1-0.5%, Mn的摩爾百分含量不聞于1.0%。
4.按照權利要求1的一種V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金,其特征在于，Nb的摩爾百分含量8%，V的摩爾百分含量0.1-0.5%，Mn的摩爾百分含量0.1-1.0%。
5.V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金的制備方法,其特征在于,包括下述步驟: (1)、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解錳片和鋁釩中間合金；其中控制Al、Nb、V、Mn和Ti元素的摩爾百分含量為43%~45%的Al、5~15%的Nb、不高于0.5%的V、不高于1.0%的Mn和余量為Ti及不可避免的雜質； (2)、將步驟(1)稱得的原料通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時先將海綿鈦置于模具內側邊緣，然后在海綿鈦圍成的區域內部自下而上分層放置高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解錳片層、鋁釩中間合金層和海綿鈦層； (3)將步驟(2)得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型模具預熱至300~350°C，水冷銅坩堝真空感應熔煉爐抽真空至1.0~3.0XlO^mbar,以20~30kw/min增長速率將水冷銅坩堝真空感應熔煉爐熔煉功率升至160~170kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉200~250s得熔體，使熔體混合均勻； (4)將步驟(3)中的熔體澆鑄到事先預熱好的且離心旋轉的金屬鑄型模具中，形成V、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金鑄錠，并隨爐冷卻。
6.按照權利要求5的方法，其特征在于，以20kw/min增長速率將水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐熔煉功率升至160~170kw且進行離心澆注成型。
7.按照權利要求5的方法，其特征在于，離心機轉速優選為120r/min。
8.按照權利要求5的方法，其特征在于，(I)中海綿鈦的質量純度為99.78%，高純鋁的質量純度為99.99%，鋁鈮中間合金的質量純度為99.86%，電解錳片的質量純度為99.99%，鋁釩中間合金的質量純度為99.6%。
【文檔編號】C22C1/03GK103834844SQ201410090686
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月12日 優先權日:2014年3月12日
【發明者】陳子勇, 宮子琪, 周峰, 柴麗華, 相志磊 申請人:北京工業大學