一种含τ3相γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法
【专利摘要】一种含τ3相γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法，涉及一种γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。本发明提供了一种含τ3相γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。本发明的含τ3相γ-TiAl金属间化合物铸锭由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。制备方法为：一、称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；二、压块成型，得到金属压块；三、熔炼、铸型，即得到含τ3相γ-TiAl金属间化合物铸锭。本发明得到的γ-TiAl金属间化合物材料显微组织非常细小，层片团尺寸100μm左右，形成的τ3相主要出现在片层团晶界处，并呈网状分布。本发明应用于轻质耐热高温结构材料的制备领域。
【专利说明】一种含13相Y-TiAI金属间化合物铸锭及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种Y-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。
【背景技术】
[0002]Y-TiAl基合金是一种新型的高温结构材料，具有高熔点、低密度、高弹性模量以及较好的高温强度、阻燃能力、抗氧化性等优点，是一种具有广阔应用前景的新型轻质耐热高温结构材料，被认为是极具竞争潜力的下一代航空发动机用结构材料之一。然而，TiAl金属间化合物粗大的组织及低的室温塑性限制了其广泛应用。数十年来，国内外学者在TiAl金属间化合物的组织和性能方面做了大量的探索与研究。结果显示，通过加入一定量的合金元素，改变合金的凝固路径，可以细化Y-TiAl的铸态组织。含β相Y-TiAl基合金就是利用这种方法，通过添加足够量的β稳定元素使合金由传统的L —L+β — c^..转变为L —L+β — β —…，得到细小的铸态组织。通过研究T1-Al-Ni三元相图发现，通过添加少量的Ni元素也可以改变合金凝固路径，使合金由传统的L — L+β — α…变为L —L+β — α + τ3—…，得到细小的铸态组织。然而，关于含τ3相的Y_TiAl金属间化合物材料的制备及Ni在Y-TiAl合金中的物理冶金行为尚未见报道。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种含τ 3相Y -TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。
[0004]本发明的一种含13相Y-TiAl金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al:47%?48%、Nb:2%, Cr:2%、N1:2%?3%和余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。
[0005]上述的一种含τ 3相Y -TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行:
[0006]一、按各元素摩尔百分比为Al:47%?48%、Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；
[0007]二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；
[0008]三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至300?400°C，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.0X10_3?3.0X10_3mbar，再以10?15kW/min速率将熔炼功率升至80?90kW后熔炼300?400s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，并随炉冷却，即得到含13相Y-TiAl金属间化合物铸锭；
[0009]其中，海绵钛的质量纯度为99.7%，高纯铝质量纯度为99.99%，铝铌中间合金的质量纯度为99.8%，电解铬的质量纯度为99.99%，镍豆的质量纯度为99.99% ;各原料为市售产品。
[0010]本发明包括以下有益效果:
[0011]本发明确定了 Ni的最佳加入量范围，在材料凝固过程中，Ni的加入改变了合金的凝固路线，由传统的L —L+β — α…变为L —L+β — α + τ3...，得到的Y-TiAl金属间化合物材料显微组织非常细小，层片团尺寸ΙΟΟμπι左右，形成的τ3相主要出现在片层团晶界处，并呈网状分布。细小均匀、无明显偏析的组织有利于改善合金的综合性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1试验一制备的含τ3相Y -TiAl金属间化合物铸锭的Χ_射线衍射谱图；其中，?为 TiAl，▽为 Ti3Al, ?为 τ3 ；
[0013]图2试验一制备的含τ 3相Y-TiAl金属间化合物铸锭的扫描电子显微图；
[0014]图3试验二制备的含13相Y-TiAl金属间化合物铸锭的X-射线衍射谱图；其中，?为 TiAl，▽为 Ti3Al, ?为 τ3 ；
[0015]图4试验二制备的含τ 3相Y -TiAl金属间化合物铸锭的扫描电子显微图。
【具体实施方式】
[0016]【具体实施方式】一:本实施方式的一种含τ 3相Y -TiAl金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al:47%?48%、Nb:2%、Cr:2%、N1:2%?3%和余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。
[0017]【具体实施方式】二:本实施方式的一种含τ 3相Y -TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行:
[0018]一、按各元素摩尔百分比为Al:47%?48%、Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；
[0019]二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；
[0020]三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至300?400°C，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.0X10_3?3.0X10_3mbar，再以10?15kW/min速率将熔炼功率升至80?90kW后熔炼300?400s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，并随炉冷却，即得到含13相Y-TiAl金属间化合物铸锭；
[0021]其中，海绵钛的质量纯度为99.7%，高纯铝质量纯度为99.99%，铝铌中间合金的质量纯度为99.8%，电解铬的质量纯度为99.99%，镍豆的质量纯度为99.99% ;各原料为市售产品。
[0022]本实施方式包括以下有益效果:
[0023]本发明实施方式确定了 Ni的最佳加入量范围，在材料凝固过程中，Ni的加入改变了合金的凝固路线，由传统的L —L+β — α…变为L —L+β — α + τ3...，得到的y-TiAl金属间化合物材料显微组织非常细小，层片团尺寸10ym左右，形成的τ3相主要出现在片层团晶界处，并呈网状分布。细小均匀、无明显偏析的组织有利于改善合金的综合性能。
[0024]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】二不同的是:步骤三中金属铸型预热至350?400°C。其它与【具体实施方式】二相同。
[0025]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】二或三不同的是:步骤三中抽真空至1.8 X 1(Γ3?2.0X KT3Hibar。其它与【具体实施方式】二或三相同。
[0026]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】二至四之一不同的是:步骤三中以10kff/min速率将熔炼功率升至85?90kW。其它与【具体实施方式】二至四之一相同。
[0027]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】二至五之一不同的是:步骤三中熔炼300?360s。其它与【具体实施方式】二至五之一相同。
[0028]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】二至六之一不同的是:步骤三中金属铸型尺寸为Φ 50 X 60mm。其它与【具体实施方式】二至六之一相同。
[0029]通过以下试验验证本发明的有益效果:
[0030]试验一:本试验的一种含13相Y-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行:
[0031]一、按各元素质量百分比为Al、Nb、Cr、Ni和Ti元素的摩尔百分含量为Al:48%,Nb:2%、Cr:2%、N1:3%和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；
[0032]二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；
[0033]三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至350°C，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.8X10_3mbar，再以10kW/min速率将熔炼功率升至85kW后熔炼300s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，金属铸型尺寸为Φ 50 X 60mm,并随炉冷却，即得到含τ 3相Y -TiAl金属间化合物铸锭；
[0034]其中，海绵钛的质量纯度为99.7%，高纯铝质量纯度为99.99%，铝铌中间合金的质量纯度为99.8%，电解铬的质量纯度为99.99%，镍豆的质量纯度为99.99% ;各原料为市售产品。
[0035]采用电火花线切割方法从铸锭上切取1X 1X 1mm试样，扫描试样经金相砂纸从60目磨到2000目，再用电解抛光机精抛；Χ射线衍射试样经水洗砂纸从180目磨到1000
目，再用无水乙醇清洗表面。
[0036]利用XRD(X射线衍射仪)进行分析，本试验制备的含^相Y-TiAl金属间化合物铸锭的X-射线衍射谱图如图1所示，从图1可以看出，合金中除了 ％和γ相之外，还有13相出现；
[0037]利用扫描电子显微镜进行分析，本试验制备的含^相Y-TiAl金属间化合物铸锭的扫描电子显微图如图2所示，从图2可以看出，亮白色τ3相主要分布在片层团晶界处并呈网状分布，黑色衬度的为Y相，层片团平均尺寸为80μπι。
[0038]试验二:本试验的一种含τ 3相Y -TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行:
[0039]一、按各元素质量百分比为Al、Nb、Cr、Ni和Ti元素的摩尔百分含量为Al:47%,Nb:2%、Cr:2%、N1:2%和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；
[0040]二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；
[0041]三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至400°C，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至2.0X 10_3mbar，再以10W/min速率将熔炼功率升至90kW后熔炼360s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，金属铸型尺寸为Φ 50 X 60mm,并随炉冷却，即得到含τ 3相Y -TiAl金属间化合物铸锭；
[0042]其中，海绵钛的质量纯度为99.7%，高纯铝质量纯度为99.99%，铝铌中间合金的质量纯度为99.8%，电解铬的质量纯度为99.99%，镍豆的质量纯度为99.99% ;各原料为市售产品。
[0043]采用电火花线切割方法从铸锭上切取1X 1X 1mm试样，扫描试样经金相砂纸从60目磨到2000目，再用电解抛光机精抛；Χ射线衍射试样经水洗砂纸从140目磨到1000
目，再用无水乙醇清洗表面。
[0044]利用XRD(X射线衍射仪)进行分析，本试验制备的含^相Y-TiAl金属间化合物铸锭的X-射线衍射谱图如图3所示，从图3可以看出，合金中除了 ％和Y相之外，还有13相出现；
[0045]利用扫描电子显微镜进行分析，本试验制备的含^相Y-TiAl金属间化合物铸锭的扫描电子显微图如图4所示，从图4可以看出，亮白色τ3相主要分布在片层团晶界处并呈网状分布，黑色衬度的为Y相，层片团平均尺寸为ΙΟΟμπι。
【权利要求】
1.一种含13相Y-TiAl金属间化合物铸锭，其特征在于含13相Y-TiAl金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al:47%?48%、Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。
2.—种含73相Y-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法,其特征在于含13相γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行: 一、按各元素摩尔百分比为Al:47%?48%、Nb:2%, Cr:2%,N1:2%?3%和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆； 二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块； 三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至300?400°C，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.0X10_3?3.0X10_3mbar，再以10?15kff/min速率将熔炼功率升至80?90kW后熔炼300?400s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，并随炉冷却，即得到含τ 3相Y -TiAl金属间化合物铸锭； 其中，海绵钛的质量纯度为99.7%，高纯铝质量纯度为99.99 %，铝铌中间合金的质量纯度为99.8%，电解铬的质量纯度为99.99%，镍豆的质量纯度为99.99% ;各原料为市售女口广叩ο
3.根据权利要求2所述的一种含^相Y-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中金属铸型预热至350?400°C。
4.根据权利要求2所述的一种含^相Y-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中抽真空至1.8Χ1(Γ3?2.0X KT3Hibar。
5.根据权利要求2所述的一种含^相Y-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中以10kW/min速率将熔炼功率升至85?90kW。
6.根据权利要求2所述的一种含^相Y-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中熔炼300?360s。
7.根据权利要求2所述的一种含^相Y-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法，其特征在于步骤三中金属铸型尺寸为Φ50X60mm。
【文档编号】C22C1/03GK104404345SQ201410631907
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】陈玉勇, 韩建超, 肖树龙, 田竟, 徐丽娟, 王晓鹏, 贾燚, 曹守臻 申请人:哈尔滨工业大学