一种高强高塑TiAl合金材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高强高塑TiAl合金材料及其制备方法。本发明的TiAl合金材料由Ti、Al、Nb组成，其原子百分比为：(44~51)Ti-(43~47)Al-(6~9)Nb。本发明高强高塑TiAl合金材料的制备方法为：水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼TiAl合金母合金锭，并通过吸铸获得母合金棒材；采用四镜光学浮区定向凝固炉，将母合金棒材进行定向凝固，控制TiAl合金片层取向并获得PST晶体；再通过真空热处理炉对PST晶体在α单相区热处理及去应力退火，消除B2相偏析并消除残余应力，最终形成具有高强度高塑性的TiAl合金材料。本发明制备的TiAl合金材料避免了熔化过程中坩埚对TiAl合金的污染，并克服了传统籽晶法成分性能不均匀、加工复杂的缺点，该材料在提高强度的同时，获得了显著的室温拉伸塑性。
【专利说明】一种高强高塑TiAl合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属间化合物材料【技术领域】，具体是在合理设计合金成分的基础上，采用光学浮区定向凝固方法以及真空热处理，制备出一种室温下具有高强度以及高塑性的TiAl合金材料。
【背景技术】
[0002]TiAl金属间化合物具有低密度、高弹性模量以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力。其使用温度可达750?900°C，与Ni基高温合金相近；但其密度仅为高温合金的一半，因而是理想的Ni基高温合金的替代材料，可广泛应用于汽车或航空发动机的高温部件如叶片、涡轮盘和排气阀等。
[0003]但由于金属间化合物的本征脆性，TiAl合金室温脆性差成为阻碍其工业化应用的主要原因。所以，大量研究集中在通过定向凝固手段控制TiAl合金组织结构。由于TiAl合金PST晶体中强度与塑性呈现的明显的各向异性，将TiAl合金采用定向凝固的方法制作出全片层组织PST晶体，并使其片层组织取向平行于定向凝固中晶体的生长方向，可以提高TiAl合金的力学性能。
[0004]传统定向凝固方法采用坩埚熔炼，而TiAl合金中Ti元素在高温下极为活泼，与大部分坩埚材料会发生反应，如氧化铝、氧化锆和石墨等。这些反应物作为杂质存在并改变合金成分，导致组织变化和性能的大幅度下降。而光学浮区法定向凝固是利用熔融态的液相表面张力维持正在生长的晶体与原料棒之间的熔区稳定，整个过程无需坩埚等容器，从而避免了容器对合金的污染。Johnson D.R和Yamaguchi等人通过α相凝固籽晶法，选用T1-Al-Si系合金作为籽晶，通过缩颈选晶法得到了片层取向完全平行于生长方向的单晶PST。籽晶成分通常与母合金成分存在差异导致定向凝固合金的成分和性能不均匀，而且籽晶的制备工艺复杂。因此，籽晶法具有明显的不足。
[0005]高Nb-TiAl合金其高温力学性能、抗蠕变性能及氧化性能显著高于普通TiAl合金，提高使用温度约60?100，1:是最有工程应用前景的TiAl合金。但由于Nb元素为稳定β相能力很强的元素，在定向凝固过程中较慢的生长速率下很容易形成大量的β偏析，冷却至室温形成Β2相；Β2相在室温下为脆性相，严重影响TiAl合金的室温性能。
[0006]因此，必须在定向凝固过程中避免坩埚对合金的污染以及籽晶法导致的成分性能的不均匀，并通过热处理消除脆性相，以获得具有优异性能的TiAl合金。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种具有优异室温强度及拉伸塑性的TiAl合金材料及其制备方法。通过采用非籽晶法光学浮区定向凝固，并通过热处理完全消除了脆性B2相，成功地获得了具有理想片层取向、组织均匀无污染的TiAl合金单晶，
[0008]实现本发明目的的技术解决方案为:一种高强高塑TiAl合金材料，以原子百分比计，其合金成分为:(44?51)T1-(43?47)Α1-(6?9)Nb。
[0009]上述高强高塑TiAl合金材料的制备方法，其制备工艺为:
[0010](1)电磁感应悬浮熔炼TiAl合金母合金纽扣锭，采用重力铸造法或吸铸法获得母合金棒材；
[0011](2)将母合金棒材切割为上、下棒料两部分，分别作为光学浮区定向凝固炉的原料棒与籽晶棒；上、下棒料之间的距离为3?5mm ;通入高纯氩气作为气氛保护，调节上、下棒料的轴向相对转速为20?30rpm，启动加热，使上、下棒料的相对一端先熔化，调整上、下棒料的位置，使其相对一端逐渐接近后接合，调节功率至总功率的55?70%，当浮区表面光滑且熔化均匀时，调节生长速率为2.5?20mm/h，开始定向凝固；
[0012](3)将制备的TiAl合金单晶棒材进行真空热处理；采用1250°C?1350°C X12h?24h+900°C X30min/炉冷的热处理工艺。
[0013]步骤(1)中所述的电磁感应悬浮熔炼采用水冷铜坩埚，所述的母合金棒材尺寸为Φ (4 ?6)mmX 120mm。
[0014]步骤(2)中高纯氩气的流量为3?5L/min。
[0015]本发明与现有技术相比，其显著优点为:
[0016](1)本发明提出的TiAl合金材料制备工艺方法能大幅度提高该合金的室温力学性能，尤其改善了室温脆性。
[0017](2)采用非籽晶光学浮区法定向凝固技术，防止合金污染的同时避免了籽晶法中加工复杂、成分组织不均匀的缺点。
[0018](3)运用真空热处理完全消除了 TiAl合金定向凝固后组织中残留的大量脆性B2相，从而获得组织均匀、室温性能优异的合金材料。
[0019](4)该方法制备工艺简单，成本低，改善室温脆性效果显著，具有普遍适用性及推广价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是为高强高塑TiAl合金材料的制备流程图。
[0021]图2是TiAl合金定向凝固单晶(a)及片层取向(b)显微组织。
[0022]图3是TiAl合金单晶不同热处理工艺前后偏析的显微结构(a为热处理前，b为热处理后)。
[0023]图4是不同热处理工艺前后TiAl合金单晶的XRD衍射图。
[0024]图5是TiAl合金室温拉伸力学性能曲线。
【具体实施方式】
[0025]本发明一种高强高塑TiAl合金材料及其制备方法，下面结合附图1对本发明做进一步详细描述，其【具体实施方式】如下:
[0026](1)结合图1，本发明一种高强高塑TiAl合金材料，其合金成分原子百分比为:(44?51)T1-(43?47)Α1-(6?9)Nb。通过调整原子成分之间的配比关系，使其先析出相全部为β相。
[0027](2)选取水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼TiAl合金母合金纽扣锭，采用吸铸法获得母合金棒材。
[0028](3)将母合金棒材切割为原料棒与籽晶棒两部分，通过光学浮区法进行定向凝固；通入高纯氩气作为气氛保护，调节上下段相对转速、加热功率以及生长速率控制TiAl合金片层取向并获得单晶生长。
[0029](4)将制备的TiAl合金单晶棒材进行真空热处理；采用在α单相区加热一定时间后保温后退火；完全消除脆性Β2相及残余应力，获得高强高塑TiAl合金材料。
[0030](5)利用0M、XRD对制备的TiAl合金进行微观结构表征，并进一步对其进行力学性能表征，以确定具有最佳综合力学性能的TiAl合金材料微观组织及其相应的制备工艺参数。
[0031]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0032]实施例1
[0033](1)原材料的选用:
[0034]本发明制备母合金锭选用的合金成分为Ti47A145Nb8(原子百分比)，各金属组兀的纯度 T1、A1 为 99.999 %，Nb 为 99.95 %。
[0035](2)母合金锭的制备:
[0036]高纯氩气保护条件下，用水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼炉熔制母合金锭:将金属原料的表面机械打磨去掉表面的氧化皮后，按照设计好的成分配比料备料；按照每锭70g左右的重量将配好的料放入熔炼炉内的水冷铜坩埚内，抽真空至5X10_3Pa ;向炉内充入一定量压力的高纯氩气(99.999%)，氩气压力范围为0.8?IMPa。多道次熔炼3?4次得到混合均勻的母合金锭。随后将母合金锭吸铸成Φ6Χ 120mm棒材。
[0037](3)光学浮区定向凝固:
[0038]将母合金棒材切割为上、下棒料两部分，分别作为光学浮区定向凝固炉的原料棒与籽晶棒；上、下棒料之间的距离为3?5mm ;通入5L/min的高纯気气作为气氛保护，调节上、下棒料的轴向相对转速30rpm，启动加热，使上、下棒料的相对一端先熔化，调整上、下棒料的位置，使其相对一端逐渐接近后接合，调节功率至总功率的68%，当浮区表面光滑熔化均匀时(即浮区无明显抖动时)，调节生长速率为5mm/h，开始定向凝固；生长至80mm时停止定向凝固过程。
[0039](4)真空热处理
[0040]将定向凝固棒材单晶部分放入刚玉管内，抽真空至10_3Pa后封管，放入热处理炉，采用1300°C X24h+900°C X30min/炉冷的热处理工艺。
[0041](5)结构和性能表征
[0042]图2a是光学浮区定向凝固后的试棒宏观照片，可见试样在定向凝固中经历短暂竞争淘汰后迅速成为单晶生长，图2b表明单晶片层取向平行于生长方向。图3(a)与图3(b)是热处理前后显微组织图，结合图4的XRD图谱可以看出热处理前组织内部分布着大量的B2相，24h热处理后B2完全消除。图5为所制备的高强高塑TiAl合金的室温拉伸应力-应变曲线，其屈服强度为729MPa，同时塑性应变达到6.9%，具有非常优异的室温力学性能。
[0043]实施例2
[0044]采用与实施例1相同的制备方法，合金成分为Ti44A147Nb9 (原子百分比)，光学浮区定向凝固工艺为相对转速20rpm，加热功率55%，生长速率为2.5mm/h，真空热处理工艺为1250°C X12h+900°C X30min/炉冷，B2相完全消除，获得TiAl合金材料室温拉伸屈服强度为550MPa，塑性应变为6.0%。
[0045]实施例3
[0046]采用与实施例1相同的制备方法，合金成分为Ti51A140Nb9 (原子百分比)，光学浮区定向凝固工艺为相对转速25rpm，加热功率70 %，生长速率为10mm/h，真空热处理工艺为1300°C X 20h+900°C X 30min/炉冷，B2相完全消除，获得TiAl合金材料室温拉伸屈服强度为628MPa，塑性应变为6.5%。
[0047]实施例4
[0048]采用与实施例1相同的制备方法，合金成分为Ti48A143Nb9 (原子百分比)，光学浮区定向凝固工艺为相对转速20rpm，加热功率68 %，生长速率为15mm/h，真空热处理工艺为1350°C X 24h+900°C X 30min/炉冷，B2相完全消除，获得TiAl合金材料室温拉伸屈服强度为660MPa，塑性应变为6.2%。
[0049]实施例5
[0050]采用与实施例1相同的制备方法，合金成分为Ti48A143Nb9 (原子百分比)，光学浮区定向凝固工艺为相对转速20rpm，加热功率70 %，生长速率为15mm/h，真空热处理工艺为1350°C X 12h+900°C X 30min/炉冷，B2相完全消除，获得TiAl合金材料室温拉伸屈服强度为593MPa，塑性应变为6.8%。
[0051]实施例6
[0052]采用与实施例1相同的制备方法，合金成分为Ti48A146Nb6 (原子百分比)，光学浮区定向凝固工艺为相对转速30rpm，加热功率60 %，生长速率为20mm/h，真空热处理工艺为1250°C X12h+900°C X 30min/炉冷，B2相未完全消除，如图3b的XRD图谱中12h热处理发现少量B2相残留，获得TiAl合金材料室温拉伸屈服强度为656MPa，塑性应变为3.0%。
【权利要求】
1.一种高强高塑TiAl合金材料，其特征在于，以原子百分比计，其合金成分为:(44?51)T1-(43 ?47)Al-(6 ?9)Nb0
2.根据权利要求1所述的高强高塑TiAl合金材料，其特征在于，所述合金通过以下方法制备: (1)电磁感应悬浮熔炼TiAl合金母合金纽扣锭，采用重力铸造法或吸铸法获得母合金棒材； (2)将母合金棒材切割为上、下棒料两部分，分别作为光学浮区定向凝固炉的原料棒与籽晶棒；上、下棒料之间的距离为3?5mm ;通入高纯氩气作为气氛保护，调节上、下棒料的轴向相对转速为20?30rpm，启动加热，使上、下棒料的相对一端先熔化，调整上、下棒料的位置，使其相对一端逐渐接近后接合，调节功率至总功率的55?70%，当浮区表面光滑且熔化均匀时，调节生长速率为2.5?20mm/h，开始定向凝固； (3)将制备的TiAl合金单晶棒材进行真空热处理；采用1250°C?1350°CX 12h?24h+900°C X30min/炉冷的热处理工艺。
3.根据权利要求2所述的高强高塑TiAl合金材料，其特征在于，步骤(I)中所述的电磁感应悬浮熔炼采用水冷铜i甘祸，所述的母合金棒材尺寸为Φ (4?6)mmX 120mm。
4.根据权利要求2所述的高强高塑TiAl合金材料，其特征在于，步骤(2)中高纯氩气的流量为3?5L/min。
5.一种如权利要求1所述的高强高塑TiAl合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)电磁感应悬浮熔炼TiAl合金母合金纽扣锭，采用重力铸造法或吸铸法获得母合金棒材； (2)将母合金棒材切割为上、下棒料两部分，分别作为光学浮区定向凝固炉的原料棒与籽晶棒；上、下棒料之间的距离为3?5mm ;通入高纯氩气作为气氛保护，调节上、下棒料的轴向相对转速为20?30rpm，启动加热，使上、下棒料的相对一端先熔化，调整上、下棒料的位置，使其相对一端逐渐接近后接合，调节功率至总功率的55?70%，当浮区表面光滑且熔化均匀时，调节生长速率为2.5?20mm/h，开始定向凝固； (3)将制备的TiAl合金单晶棒材进行真空热处理；采用1250°C?1350°CX 12h?24h+900°C X30min/炉冷的热处理工艺。
6.如权利要求5所述的高强高塑TiAl合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)中所述的电磁感应悬浮熔炼采用水冷铜坩埚，所述的母合金棒材尺寸为Φ(4?6)mmX 120mmo
7.如权利要求5所述的高强高塑TiAl合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中高纯IS气的流量为3?5L/min。
【文档编号】C30B21/04GK104278173SQ201410529844
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】陈 光, 彭英博, 李沛, 郑功, 祁志祥, 苏翔, 王敏智 申请人:南京理工大学