一种减少定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层反应的工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种减少定向凝固铁侣合金铸件与铸型涂层反应的优化，属于高溫结 构合金的界面反应优化工艺。
【背景技术】
[0002] 铁侣合金作为一种轻质高溫结构材料，不仅密度低、比强度高、弹性模量高，而且 有良好的高溫抗氧化和抗蠕变能力，是发动机材料的研究热点之一，在航空航天、生物医疗 和汽车制造等领域得到了广泛的应用。由TiAKr相)和少量Ti3Al(a2相)组成的全片层组织 比其他形式的组织具有更好的力学性能，明显的呈现出各向异性，外加载荷与片层方向一 致的情况下，材料的屈服强度、延伸率、断裂初性和蠕变性能都得到显著提高，能有效提高 合金的综合力学性能。因此，控制凝固合金的片层取向能极大拓宽TiAl合金的使用范围。
[0003] 定向凝固技术是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固烙体中建立起 特定方向的溫度梯度，从而使烙体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向的柱状 晶或单晶的一种铸造工艺。定向凝固技术能获得平行于轴向的柱状晶，消除普通铸造中与 应力轴垂直的横向晶界，避免了高溫应力下产生裂纹的主源，提高合金的持久强度和塑性， 改善热冲击抗力和蠕变强度，从而大幅度提高铁侣合金构件的服役能力。
[0004] 有学者采用定向凝固技术，利用巧晶的引晶作用在陶瓷铸型中控制TiAl合金的片 层取向，制备出了与生长方向完全平行的定向全片层组织。但是铁侣合金烙点高、具有很高 的化学活性，会与铸型材料发生不同程度的界面反应，导致在铸件表面形成污染层，劣化了 铁侣合金铸件的内部及表面质量，影响铸件的尺寸精度。
[0005] 也有研究尝试采用无铸型烙炼来避免定向凝固过程中界面反应的发生，但实际应 用受到限制。例如电磁约束成形定向凝固和悬浮区烙定向凝固，前者单靠电磁力约束合金 烙体存在难于成形复杂构件的问题，而后者依靠表面张力保持烙区的稳定只能成形微小构 件，难于制备较大铸件。有效调控有铸型定向凝固过程中铁侣合金烙体与铸型材料间的界 面反应是亟待解决的问题。
[0006] 定向凝固铁侣合金对铸型有特殊的要求:高溫稳定性好，抗热振性，耐化学腐蚀， 同时还要易加工、价格便宜。目前应用到定向凝固中的铸型材料有石墨、Zr〇2、Ah〇3和Y2化 等。但是石墨铸型中的C元素进入到合金烙体中改变了原有成分合金的凝固路径;Zr〇2脆性 较大且与试样反应层较厚；高溫Ah〇3颗粒会脱落进入烙体在凝固组织中形成大量的夹杂 物;致密的Y2化抗热震性差，定向凝固时易碎裂且价格昂贵。因此，双层结构铸型在节省成本 上有较大的提高。本发明采用的是内壁涂有Y2化涂层的Ah〇3铸型。
[0007] 研究表明，界面反应与接触时间和溫度有关，为了减弱铸型材料和烙体的界面反 应，获得较好的定向凝固组织，应尽量减少烙体与铸型的接触时间，因此在定向凝固过程时 抽拉速率应尽可能的大，W缩短反应时间。然而，随着抽拉速率的增大，晶粒数量变多，晶粒 方向与轴向偏差越大，欲获得少的晶粒数量和小的夹角，必须采用较低的抽拉速率。因此， 如何合理控制定向凝固的工艺参数，对定向凝固铁侣合金转向工业化是十分必要的。
【发明内容】
[0008] 技术问题:本发明针对铁侣合金定向凝固时与铸型的界面反应问题，优化定向凝 固工艺，设计合理的凝固参数，W期减弱界面反应，获得表面质量更好的定向凝固铸件。
[0009] 为达到W上技术问题，本发明通过W下技术方案实现的： 本发明采用的是Al2〇3(内覆厚度为0.5mm的Y2化涂层)铸型，其特征是价格适宜，易加 工，在W往的研究中发现比其他铸型下的界面反应都弱。本发明的原料是Ti-48Al-7Nb- 2.5V-1.0化，属于高佩铁侣合金。
[0010] 所述的铁侣合金的定向凝固步骤如下： (1) 烙炼:将优化比例后的海绵Ti、Al粉、化粉、A1V和AlNb颗粒(粒状3化目）W合适的方 位摆放于立式离屯、式真空感应烙铸炉中混料，便于烙炼过程中各原料相互反应放热，使其 更快融化。炉中真空度保持在〇.5Pa左右后通入Ar气保护。烙铸成型后将铸锭倒扣放入再次 烙铸，反复Ξ次使铸锭元素分布均匀，取点检验成分分布，最后一次的铸锭作为定向凝固的 母锭； (2) 定向凝固：从(1)中的合金锭上切取直径为6mm的圆棒，磨去氧化皮，清洗、烘干后装 入相蜗中。开始前反复抽真空五次，当炉腔真空度达到5 X 10-3化时开始加热，加热到500°C 时通入氣气至压力为0. 〇5MPa。对铸型进行分段加热，第一段为室溫至1300°C，加热时间化， 第二段为1300°C至1600°C，然后保溫30分钟。在60皿/s下进行抽拉，抽拉长度为100mm。烙体 在嫁铜液态金属冷却液下迅速凝固。
[OCm]有益效果:通过本实验，定向凝固参数采用保溫30分钟、抽拉速率60ym/s，严格按 照实验步骤和实验要求，得到的定向凝固试样界面反应层最薄，内部污染物最少，实现了对 铁侣合金的定向凝固工艺的优化。经过设计的工艺参数定向凝固界面反应层厚度降到了 10 ymW内，铸件表面质量和尺寸精度得到大大提高，内污染物也明显减少，界面反应得到了比 较好的控制。
[0012] 本发明为Ti-48A^7Nb-2.5V-1.0化合金定向凝固提供了有效的工艺参数，并对高 妮铁侣合金的定向凝固过程提供了借鉴。
【附图说明】
[0013] 图1是铁侣合金的基体形貌和界面反应层厚度。
[0014] 图2是界面反应处粉末的物相图谱。
【具体实施方式】
[0015] -种减少定向凝固铁侣合金铸件与铸型涂层反应的工艺。
[0016] (1)试样烙炼，在真空感应烙铸炉中制备试验的母锭，合金成分如表1所示。加热前 将石墨模具预热至200°C后保溫1小时，加热完成后快冷铸态取样； (2) 在上述合金锭上切取直径为6mm，长度为100mm的圆棒作为定向凝固试样。打磨表面 氧化皮，用丙酬超声清洗后在120°C烘干一小时； (3) 将试样放入Al2〇3(内径为6mm，外径8mm)铸型中，固定在定向凝固炉中，关上设备开 始抽真空，要求炉腔真空度达到5 X l(T3Pa，加热到500°C时通入氣气至0.05MPa，W减少实验 过程中蒸发耗损； (4)感应加热过程分为2段:第一段为500°C至1300°C，加热时间化，第二段为1300°C至 1600°C，合理控制感应电流、电压，保溫30分钟； 巧)定向凝固时的抽拉速率为60ym/s，抽拉长度为100mm; (6)取出定向凝固试样，纵向剖切后清理表面，按照金相要求进行打磨、机械抛光、腐 蚀，观察定向凝固组织、界面反应厚度、污染物及其成分。
[0017] 具体测试如下:采用美国FEI Quan化TM250型扫描电子显微镜观察铸件基体的组 织形貌和界面反应层厚度，结果如图1所示。基体为典型的铁侣合金定向凝固组织，在基体 上粘着少量的污染物，反应层薄且不连续，说明界面反应较弱。将试样表面薄层打磨下来， 研鉢细化后进行物相分析，物相分析采用德国布鲁克DSAdanceX射线衍射仪，结果如图2所 示，凝固后相蜗完整，切粉末中含有Al2〇3,说明界面反应仅发生在烙体和Y2化涂层之间，有 效地减弱了界面反应剧烈程度。
[0018] 最后说明：W上仅为本发明的实例而已，并通过实例对本发明进行了详细的说明， 对于本技术领域的人员来说，凡对本发明做出简单修改、等同替换与改进，均应在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种减少定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层反应的工艺，其特征在于:所述合金成 分的重量组份为:48% Al ,7% Nb，2.5% V，1.0% Cr，其余为Ti。2. -种减少定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层反应的工艺，其特征在于包括如下步 骤： (1) 试样熔炼，在真空感应熔铸炉中制备试验的母锭，合金成分如表1所示，加热前将石 墨模具预热至200°C后保温1小时，加热完成后快冷铸态取样； (2) 在上述合金锭上切取直径为6mm，长度为100mm的圆棒作为定向凝固试样，打磨表面 氧化皮，用丙酮超声清洗后在120°C烘干一小时； (3) 将试样放入内壁涂覆有0.5mm厚Y2〇3的Al2〇3(内径为6mm，外径8mm)铸型中，固定在 定向凝固炉中，关上设备开始抽真空，要求炉腔真空度达到5Xl(T 3Pa，加热到500°C时通入 氩气至0.05MPa，以减少实验过程中蒸发耗损； (4) 感应加热过程分为2段:第一段为500°C至1300°C，加热时间3h，第二段为1300°C至 1600°C，合理控制感应电流、电压，保温30分钟； (5 )定向凝固时的抽拉速率为60ym/s，抽拉长度为100mm。3. 如权利要求2所述的一种定向凝固钛铝合金的用途，其特征在于：界面反应弱，试样 表面污染少，尺寸精度高。
【专利摘要】本发明研究了一种减少定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层反应的工艺，属于高温结构合金的定向凝固铸造方法。本发明的目的在于提供一种定向凝固制备钛铝合金时的最优工艺参数，通过对Ti-48Al-7Nb-2.5V-1.0Cr合金定向凝固参数的设计，在保温时间30分钟，抽拉速率60μm/s时使合金熔体与铸型材料之间的界面反应减弱到最小，反应层厚度降低在10μm以内，铸件表面较光滑，内部污染少。其特征在于既减少了熔体与铸型的接触时间，又避免了抽拉速率大时晶粒数增多、晶粒方向与轴向偏差大的问题。本发明工艺合理、成本低、不影响钛铝合金的定向凝固组织取向，可以应用到钛铝合金的定向凝固工艺中。
【IPC分类】C22C21/00, C30B11/00, C22C30/00, C30B29/52
【公开号】CN105543618
【申请号】CN201510944647
【发明人】隋艳伟, 程成, 冯坤, 戚继球, 何业增, 委福祥, 孟庆坤, 孙智
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月17日