一种取向增强的含钨高铌钛铝合金及其制备方法与流程

本发明属于高温合金领域，特别是涉及一种取向增强的含钨高铌钛铝合金及其制备方法。

背景技术：

随着航空航天、汽车等工业领域的发展，人们在追求更高效率和更高性能时通常会受到材料性能极限的制约，无法进一步满足对材料性能的要求。因此，新型材料的开发和利用已经迫在眉睫。在高温合金领域，高温金属间化合物具有低的密度、高的熔点、比强度和高温强度以及良好的抗氧化性和抗蠕变性等优点。因此，高温金属间化合物的出现使人们看到了新的希望。人们希望通过对高温金属间化合物的研究来发掘更高效率和更高性能的潜力。因此，高温金属间化合物的研究已成为近年来材料科学中一个十分活跃的研究方向。

在高温金属间化合物中，TiAl基合金由于晶体中含有金属键与共价键，使其有可能同时兼有金属和陶瓷的力学性能，以及由此产生低的密度、高的刚度、比强度、比模量、高温强度及良好的抗氧化性和抗蠕变性等优点。因此，TiAl基合金被认为是一种能代替铁合金和镍基合金的在航天航空及汽车等其他工业领域中极具应用潜力的高温结构材料。

在TiAl基合金中，δ-TiA1₃基合金由于固溶范围太窄，因此在室温时的塑性差，难以机械加工。α₂-Ti₃A1基合金存在着结构不稳定以及在恶劣环境和循环载荷下开裂的问题。因此，目前研究焦点主要集中在γ-TiAl基合金的研究和开发上。这类合金一般含有15％的α₂-Ti₃A1，为双相结构。因此，与α₂-Ti₃A1相比，该合金具有更低的密度、更高的强度和良好的抗氧化性。但由于该合金的室温脆、塑性较差、高温下抗氧化性不足等缺点，从而限制了其在实际中的广泛应用。

γ-TiAl基合金中所面临的问题是如何通过控制合金成分和显微组织改善其综合力学性能，以及如何以比较简单的工艺途径实现这一目标。其中显微组织是影响γ-TiAl基合金力学性能的主要因素。研究表明，具有细小均匀的片层组织且片层组织全部平行于定向凝固的优先生长方向的γ-TiAl合金具有较好综合性能。

目前，主要采用定向凝固的技术来改善钛铝合金显微组织，获取片层组织，然而利用普通定向凝固方法对TiAl合金进行控制，无论先析出α相还是β相，都无法 保证最终的片层组织全部平行于定向凝固的优先生长方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种取向增强的含钨高铌钛铝合金及其制备方法，该合金不仅具有细小均匀的全片层组织，而且片层组织方向与定向凝固生长方向的夹角为0°或者接近0°。

实现本发明的技术解决方案为：一种取向增强的含钨高铌钛铝合金，以原子百分比计，所述合金成分为：Al：45.0％～48.0％、Nb：5.0％～8.0％、W：0.2％～0.8％，其余为Ti元素。

上述取向增强的含钨高铌钛铝合金制备方法，包括以下步骤：

步骤1、以钛、铝、铌、钨为原料，按照合金成分进行配料；

步骤2、将步骤1中配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空，充入高纯氩气，然后调节电弧熔炼炉的电流和电压进行熔炼，获得纽扣锭；

步骤3、将步骤2中制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空，充入高纯氩气，然后调节悬浮熔炼炉的功率，用石英管吸铸成圆柱形试棒；

步骤4、将步骤3中制备的圆柱形试棒放入Bridgeman定向凝固炉中，抽真空，充入高纯氩气，然后调节保温温度、保温时间和抽拉速率等工艺参数对圆柱形试棒进行定向凝固，获得取向增强的含钨高铌钛铝合金试样。

步骤2中，抽真空后的真空度为0.01～0.03Pa；充入高纯氩气后真空度为600～650Pa；电弧熔炼炉电源电流为200A，电弧电源电压为2V；熔炼3～5次。

步骤3中，抽真空后的真空度为5～10Pa；充入高纯氩气后，吸铸阀门的下方压力为一个大气压，上方压力为0.03～0.04MPa；悬浮熔炼炉的功率为20KW；石英管尺寸为Ф6×L110mm。

步骤4中，抽真空后的真空度为0.02～0.05Pa；充入高纯氩气后的真空度为0.05～0.06Pa；Bridgeman定向凝固炉加热功率为25KW，加热温度为1550±20℃，保温时间为15min，抽拉速率为5～20μm/s，温度梯度为500K/cm。

本发明的显著优点有：(1).与普通钛铝合金相比，该合金不仅具有细小均匀的全片层组织，而且片层组织方向与定向凝固生长方向的夹角为0°或者接近0°，能够进一步提高其综合力学性能，该合金具有Ni基、Fe基和Co基高温材料所无法比拟的优良性能，在现阶段的航空航天、汽车等工业领域具有极其广阔的应用前景。(2).与 普通定向凝固方法相比，利用Bridgeman方法来进行定向凝固，该方法具有熔炼温度高、温度梯度高、参数控制精确等特点，不仅可以获得细小均匀的全片层组织，而且片层组织方向与定向凝固生长方向的夹角为0°或者接近0°取向片层组织，可以极大地提高合金的断裂韧性、蠕变强度、室温塑性等性能。

说明书附图

图1为Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2在抽拉速率为5μm/s条件下获得的SEM微观组织图(a)，Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5在抽拉速率为10μm/s条件下获得的SEM微观组织图(b)和Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8在抽拉速率为20μm/s条件下获得的SEM微观组织图(c)。

具体实施方式

本发明通过添加少量钨元素调节高铌钛铝合金组成成分，利用Bridgeman方法来进行定向凝固，制备出了一种不仅具有细小均匀的全片层组织，而且片层组织方向与定向凝固生长方向的夹角为0°或者接近0°(也即片层组织全部平行于定向凝固的优先生长方向)的取向增强的含钨高铌钛铝合金。

本发明的一种取向增强的含钨高铌钛铝合金，其成分为：Al：45.0％～48.0％、Nb：5.0％～8.0％、W：0.2％～0.8％，其余为Ti元素，上述的成分是以原子百分比表示。

本发明的一种取向增强的含钨高铌钛铝合金制备方法，按以下步骤进行：

步骤1、以钛、铝、铌、钨(所有纯度均为99.99％)为原料，按照如下成分进行配料：Al：45.0％～48.0％、Nb：5.0％～8.0％、W：0.2％～0.8％，其余为Ti元素。上述的成分是以原子百分比表示。

步骤2、将步骤1中配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空，充入高纯氩气，然后调节电弧熔炼炉的电流和电压进行熔炼，获得纽扣锭；其中所述的真空度为0.01～0.03Pa；所述的充入高纯氩气后真空度为600～650Pa；所述的电弧熔炼炉电源电流为200A，电弧电源电压为2V；熔炼3～5次，获得的纽扣锭，其重为20～30g。

步骤3、将步骤2中制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空，充入高纯氩气，然后调节悬浮熔炼炉的功率，用石英管吸铸成圆柱形试棒；其中所述的真空度为5～10Pa；其中充入高纯氩气后，吸铸阀门下方压力为一个大气压，上方压力为0.03～0.04MPa；所述的悬浮熔炼炉的功率为20KW；所述石英管尺寸为Ф6×L110mm。

步骤4、将步骤3中制备的圆柱形试棒放入Bridgeman定向凝固炉中，抽真空， 充入高纯氩气，然后调节保温温度、保温时间和抽拉速率等工艺参数对圆柱形试棒进行定向凝固，获得取向增强的含钨高铌钛铝合金试样；其中所述的真空度为0.02～0.05Pa；所述的充入高纯氩气后真空度为0.05～0.06Pa；所述的Bridgeman定向凝固炉加热功率为25KW，加热温度为1550±20℃，保温时间为15min，抽拉速率为5～20μm/s，温度梯度为500K/cm。

实施例1：

(1)以钛、铝、铌、钨(所有纯度均为99.99％)为原料，按照Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的成分配比称取材料。

(2)将上述配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空至0.01Pa，充入高纯氩气至600Pa，然后在电弧熔炼炉电流为200A，电压为2V的条件下进行熔炼，制备出成分为Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的纽扣锭，重量20g。

(3)将上述制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空至5Pa，充入高纯氩气至0.03MPa，然后在悬浮熔炼炉功率为20KW的条件下，用直径为Ф6mm的石英管吸铸，制备出成分为Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的圆柱形试棒，试棒尺寸为Ф4×70mm。

(4)将上述制备的圆柱形试棒放入Bridgeman定向凝固炉中，抽真空至0.02Pa，充入高纯氩气至0.05Pa，然后调节工艺参数，在加热功率为25KW，加热温度为1550℃，保温时间为15min，抽拉速率为5μm/s，温度梯度为500K/cm的条件下，对圆柱形试棒进行定向凝固，制备出具有取向增强的含钨高铌钛铝Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的合金试样。

采用实施例1制备出具有取向增强的含钨高铌钛铝Ti_48.8Al₄₅Nb₆W_0.2的合金试样，其微观组织如图1(a)所示。

实施例2：

(1)以钛、铝、铌、钨(所有纯度均为99.99％)为原料，按照Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的成分配比称取材料。

(2)将上述配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空至0.02Pa，充入高纯氩气至630Pa，然后在电弧熔炼炉电流为200A，电压为2V的条件下进行熔炼，制备出成分为Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的纽扣锭，重量25g。

(3)将上述制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空至7Pa，充入高纯氩气至0.04MPa，然后在悬浮熔炼炉功率为20KW的条件下，用直径为Ф6mm的石英管吸 铸，制备出成分为Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的圆柱形试棒，试棒尺寸为Ф4×80mm。

(4)将上述制备的圆柱形试棒放入Bridgeman定向凝固炉中，抽真空至0.03Pa，充入高纯氩气至0.05Pa，然后调节工艺参数，在加热功率为25KW，加热温度为1550℃，保温时间为15min，抽拉速率为10μm/s，温度梯度为500K/cm的条件下，对圆柱形试棒进行定向凝固，制备出具有取向增强的含钨高铌钛铝Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的合金试样。

采用实施例2制备出具有取向增强的含钨高铌钛铝Ti_48.5Al₄₅Nb₆W_0.5的合金试样，其微观组织如图1(b)所示。

实施例3：

(1)以钛、铝、铌、钨(所有纯度均为99.99％)为原料，按照Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的成分配比称取材料。

(2)将上述配好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空至0.03Pa，充入高纯氩气至650Pa，然后在电弧熔炼炉电流为200A，电压为2V的条件下进行熔炼，制备出成分为Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的纽扣锭，重量30g。

(3)将上述制备的纽扣锭放入悬浮熔炼炉中，抽真空至10Pa，充入高纯氩气至0.05MPa，然后在悬浮熔炼炉功率为20KW的条件下，用直径为Ф6mm的石英管吸铸，制备出成分为Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的圆柱形试棒，试棒尺寸为Ф6×90mm。

(4)将上述制备的圆柱形试棒放入Bridgeman定向凝固炉中，抽真空至0.05Pa，充入高纯氩气至0.06Pa，然后调节工艺参数，在加热功率为25KW，加热温度为1550℃，保温时间为15min，抽拉速率为20μm/s，温度梯度为500K/cm的条件下，对圆柱形试棒进行定向凝固，制备出具有取向增强的含钨高铌钛铝Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的合金试样。

采用实施例3制备出具有取向增强的含钨高铌钛铝Ti_48.2Al₄₅Nb₆W_0.8的合金试样，其微观组织如图1(c)所示。