一种建立合金元素与TiAl基合金中ω

一种建立合金元素与tial基合金中
ωo相稳定区间对应关系的高通量测定方法及应用
技术领域
1.本发明涉及含β稳定元素的β凝固tial基合金领域，具体涉及种建立合金元素与tial基合金中ωo相稳定区间对应关系的高通量测定方法及应用。


背景技术：

2.与通过容易造成偏析的包晶凝固制造的传统tial合金相比，β凝固型tial基合金由于完全通过无序的β相凝固可以有效的消除成分偏析、减少铸造织构，获得细小均匀的组织，从而提高合金的高温强度和塑性而成为当前tial合金研究的热点。通过引入β稳定元素(如nb、mo、ta、v、cr、mn等)获得大量β相。高温下β相属于无序的体心立方(bcc)结构，能够提供足够的独立滑移系，使得β凝固tial合金具有优异的热加工性能。而低温下β相是以一种有序的b2相形式存在。b2相的存在不利于合金的室温塑性。因此实际生产中，总是希望通过热处理达到在高温下含有大量的β相的同时能够在低温下定量地控制b2相的目的。然而，在中低温热处理或凝固冷却过程中，含nb或ta的β凝固tial基合金中时常会伴随一种有序的ωo相(b82结构)的出现。该相通常会在b2相内形成，会加剧恶化材料的塑性。研究发现，ti-al-nb、ti-al-ta三元系中的ωo相在低于925℃下稳定存在。而在含其他β稳定元素的ti-al基三元系中，ωo相是热力学不稳定的。通过多组元合金化进一步在含nb或ta的β凝固tial基合金中引入强β稳定元素，如mo、v、cr、mn等，有望达到减少或消除ωo相的目的。因此，只有全面掌握不同体系中ωo相的稳定性特点才能指导合金成分设计有效避免或减少该相的含量。


技术实现要素：

3.基于上面背景技术所提及的β凝固tial基合金中ωo相的出现，本发明的目的在于提供一种能够快速测定ωo相的稳定区间的方法，从而量化β稳定元素对ωo相的稳定性的影响，建立一个可以快速获取元素添加量的数据库。
4.为实现上述目的，本发明一种建立合金元素与tial基合金中ωo相稳定区间对应关系的高通量测定方法，其技术方案如下：
5.步骤一
6.熔炼制备n种三组元合金，所述n种三组元合金的成分通式为ti3al2xn，所述n种三组元合金中至少一种三组元合金以ωo相为基体，至少一种三组元合金以b2相为基体；所述n为大于等于3的正整数；
7.步骤二
8.按高通量扩散多元节设计方案，将步骤一制备的合金组装成扩散多元节并进行扩散退火处理；
9.步骤三
10.通过检测仪器初步获得多元节中每组扩散偶中各相成分，大致确定各合金元素对
应的ωo相稳定区间；
11.步骤四
12.基于步骤三的结果设计成分，制备p个合金样品并进行退火处理；所述p为大于等于1的整数；
13.步骤五
14.对步骤四退火处理后合金样进行检测分析，定量精确建立合金元素与ωo相稳定区间对应关系。
15.作为优选方案，对于一种三组元合金，其中的x选自nb、ta、mo、cr、mn、v、w、fe、co、ni、cu、si、sn、re、ru、zr、hf、sc、re(稀土)中的一种元素。进一步优选为nb、ta、mo、cr、mn、v中的一种元素。
16.为了方便实验和记录，定义x1为nb、x2为ta、x3为mo、x4为cr、x5为mn、x6为v。在本发明中，xn对应元素选择可以自由选择，其原则为：当在1-n范围内的1个正整数对应唯一的一种元素。
17.为了尽可能的配合高通量扩散多元节设计方案，在熔炼制备n种三组元合金时，尽可能的满足n的取值最大化。
18.本发明将步骤一制备的合金组装成扩散多元节时，确保至少有3种三组元合金在3维立体空间上有接触。
19.在本发明中步骤二中的退火温度和步骤四中最终退火温度是一致的，但是区别在于步骤二的扩散多元节需要更长退火时间，步骤四的合金样品需要先在较高温度进行均匀化。
20.当以ωo相为基体的三元合金为ti3al2nb或ti3al2ta、且以b2相为基体为ti3al2x(x＝mo、cr、mn、v)时，步骤二中扩散多元节的退火的条件优选为：温度830-870℃、时间80-100天；步骤四中退火处理的条件优选为：先升温至1070-1130℃、保温10-30h；然后在830-870℃保温15-30天。
21.作为优选，所述p的取值为1-3。进一步优选为1-2。
22.在一些实施方式中，所述步骤一中，在研究的温度下，ti3al2x(x＝nb、ta)合金以ωo相为基体，ti3al2x(x＝mo、cr、mn、v)合金以b2为基体。ωo结构为b82结构，b2为有序βti。
23.在一些实施方式中，所述步骤二中，扩散多元节制备过程如下：
24.s1：将ti3al2x合金利用线切割切出一定尺寸，打磨清洗；
25.s2：制备钛包套和包套盖。将s1中样品本着一个扩散多元节获得最优量的扩散偶准则的组装方式将合金装配到包套中；
26.s3：利用真空电子束焊接将包套盖焊到包套上下两端。随后采用热等静压，使合金块紧密接触。
27.s4：将s3中制备的扩散多元节在设定温度下进行扩散退火。
28.在一些实施方式中，真空电子束焊接焊深为1.5～2mm，热等静压参数为：980-1020℃、5-7h/130-170mpa。
29.作为最优化的高通量扩散多元节设计方案，以ωo相为基体中的至少一种三元合金在三维空间上和5种三元合金有接触。这种设计也是本发明的首创。
30.在一些实施方式中，所述步骤三中，ωo相稳定区间的确定是基于b2与ωo相层界
面，通过此界面中所涉及相可获得一条扩散通道。
31.在一些实施方式中，所述步骤四中，合金的成分选择取自于步骤三所获得的稳定区间的某一成分点。
32.在一些实施方式中，所述步骤五中ωo相稳定区间的精确确定基于合金中b2与ωo相共存。
33.通过上述步骤快速测定ωo相的稳定区间的方法，从而量化β稳定元素对ωo相的稳定性的影响，建立一个可以快速获取元素添加量的数据库。
34.步骤五建立合金元素与ωo相稳定区间对应关系中所选合金元素a与ωo相稳定区间对应关系中至少有一个合金元素a含量区间内，该体系合金中ωo相稳定存在。
35.本发明一种建立合金元素与tial基合金中ωo相稳定区间对应关系的高通量测定方法的应用；在步骤五建立合金元素a与ωo相稳定区间对应关系的基础上，选择合金元素a含量区间外的用量。进而达到获得优质tial基合金的目的。
36.相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
37.1.采用扩散多元节高通量获得多组合金扩散偶，快速给出ωo相稳定范围的大致区间，从而减少了大批量合金的制备，降低成本和节约时间。
38.2.通过本制备方法定量化建立的β稳定元素对ωo相的稳定性的影响的数据库，大大提升了合金设计过程中就如何为避免ωo相选择合适的合金添加量的工作效率。
39.3.本制备方法简单高效，可以推广到其他合金制备过程中所涉及的各种有益相及有害相的成分设计中。
40.本发明首次以tial基合金为研究对象，快速精准得到了tial基合金中有害相稳定时，各元素的用量范围；然后在tial基合金优化设计时，避开对应元素在有害相稳定时的范围；这为得的优质合金提供一条新的思路。本发明通过数据的累计建立的数据库，为后续得到更为优质的tial基合金提供了指导依据。本发明也是快速测定同种元素在同一合金不同相中的平衡分配系数的有效方法，可以推广到其他合金体系相关材料的设计和应用中。
附图说明
41.图1为具体实施例中扩散多元节的结构设计图，其中a:ti3al2mn、b:ti3al2cr、c:ti3al2ta、d:ti3al2nb、e:ti3al2v、f:ti3al2mo。
42.图2为扩散多元节中ti3al2nb/ti3al2cr扩散区域组织形貌图。
43.图3为合金ti
50.8
al
35.2
nb
13.5
cr
0.5
(at.％)扩散处理后的背散射图和xrd图谱。
44.图4为合金ti
50.8
al
35.2
nb
13.5
cr
0.5
(at.％)扩散处理后的明场像。
45.图5为合金ti
52.0
al
33.5
nb
13.2
cr
1.3
(at.％)扩散处理后的背散射图和xrd图谱。
46.图6为扩散多元节中ti3al2nb/ti3al2v扩散区域组织形貌图。
47.图7为合金ti
50.8
al
35.2
nb
12.5v1.5
(at.％)扩散处理后的背散射图和xrd图谱。
48.图8为合金ti
50.8
al
35.2
nb
12.5v1.5
(at.％)扩散处理后的明场像。
49.图9为合金ti
52.0
al
33.5
nb
11.0v3.0
(at.％)扩散处理后的背散射图和xrd图谱。
50.图10为扩散多元节中ti3al2ta/ti3al2mn扩散区域组织形貌图。
51.图11为合金ti
52.5
al
33.5
ta
13
mn
1.0
(at.％)扩散处理后的背散射图和xrd图谱。
52.图12为合金ti
52.0
al
33.5
ta
12.5
mn
2.0
(at.％)扩散处理后的背散射图和xrd图谱。
53.图13为扩散多元节中ti3al2ta/ti3al2cr扩散区域组织形貌图。
54.图14为合金ti
50.8
al
35.2
ta
14.0
cr
0.5
(at.％)扩散处理后的背散射图和xrd图谱。
55.图15为合金ti
50.8
al
35.2
ta
13.2
cr
1.3
(at.％)扩散处理后的背散射图和xrd图谱。
56.图16为扩散多元节中ti2alv/ti2alta扩散区域组织形貌图。
57.图17为合金ti
55
al
23
nb
15.5v6.5
(at.％)扩散处理后的背散射图。
具体实施方式
58.以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
59.实施例1：在含nb体系中，cr对ωo相的稳定性的影响
60.一种建立合金元素与tial基合金中ωo相稳定区间对应关系的高通量测定方法，包括以下步骤：
61.步骤一：熔炼制备成分为ti3al2x(x1＝nb、x2＝ta、x3＝mo、x4＝cr、x5＝mn、x6＝v)的合金。在研究的温度下，ti3al2x(x1＝nb、x2＝ta)合金以ωo相为基体，ti3al2x(x3＝mo、x4＝cr、x5＝mn、x6＝v)合金以b2为基体。将ti3al2x合金利用线切割切出一定尺寸，打磨清洗；
62.步骤二：制备钛包套和包套盖。将ti3al2x合金块按图1的组装方式装配到包套中。利用真空电子束焊接将包套盖焊到包套上下两端。随后采用热等静压，使合金块紧密接触。其中真空电子束焊接焊深为1.5～2mm，热等静压参数为：1000℃、6h/150mpa。将制备的扩散多元节在设定温度下进行扩散退火(850℃/90天)。
63.步骤三：通过电子探针对扩散多元节中ti3al2nb/ti3al2cr扩散区域进行分析。如图2所示，从左至右扩散层依次为ωo+tial+ti3al
→
b2+tial+ti3al
→
b2+ti3al。从而可以初步获得ωo与b2处于平衡的cr含量为0.1～1.3at.％。同时可以建立cr在各相中的分配系数，见表1。
64.表1
[0065][0066]
步骤四：熔炼制备成分为ti
50.8
al
35.2
nb
13.5
cr
0.5
(at.％)合金并退火处理(1100℃/20h+850℃/20天)。
[0067]
步骤五：通过电子探针、x射线衍射和透射电镜对合金组织进行分析，如图3和4所示。可以看到合金含有ωo+b2+tial+ti3al四相。可以进一步确定在含nb体系(即ti3al2nb基体)中当cr添加量为1.2at.％以内时ωo是存在的。
[0068]
那么，成分设计时可以考虑添加超过1.2at.％的cr，有效阻止ωo相的形成。为了验证这个结论的正确性，合成了代表性的ti3al2nb基体中cr添加量为1.3at.％合金，这个合金经850℃退火后随炉冷却，通过电子探针、x射线衍射和透射电镜对合金组织进行分析，均没有发现ωo的存在，如图5所示。说明本发明方法的可靠性和准确性，可以指导合金成分设计、有效避免有害相的出现。
[0069]
实施例2：在含nb体系中，v对ωo相的稳定性的影响
[0070]
一种建立合金元素与tial基合金中ωo相稳定区间对应关系的高通量测定方法，包括以下步骤：
[0071]
步骤一和步骤二与实施例1中相同。
[0072]
步骤三：通过电子探针对退火(850℃/90天)后的扩散多元节中ti3al2nb/ti3al2v扩散区域进行分析。如图6所示，从右至左扩散层依次为ωo+tial+ti3al
→
b2+tial+ti3al
→
b2+tial+ti3al。从而可以初步获得ωo与b2处于平衡的v含量为0.9～2.6at.％。
[0073]
步骤四：熔炼制备成分为ti
50.8
al
35.2
nb
12.5v1.5
(at.％)合金并退火处理(1100℃/20h+850℃/20天)。
[0074]
步骤五：通过电子探针、x射线衍射和透射电镜对合金组织进行分析，如图7和8所示。可以看到合金含有ωo+b2+tial+ti3al四相。可以进一步确定在含nb体系中当v添加量为2.5
±
0.1at.％以内时ωo是存在的。同时可以建立v在各相中的分配系数，见表2。
[0075]
表2
[0076][0077]
成分设计时可以考虑添加超过2.4at.％的v，有效阻止ωo相的形成。为了验证这个结论的正确性，合成了代表性的ti3al2nb基体中v添加量为3.0at.％合金。经850℃退火后随炉冷却，通过电子探针、x射线衍射和透射电镜对合金组织进行分析，合金中没有发现ωo的存在，如图9所示。说明本发明方法的可靠性和准确性，可以指导合金成分设计、有效避免有害相的出现。
[0078]
实施例3：在含ta体系中，mn对ωo相的稳定性的影响
[0079]
一种建立合金元素与tial基合金中ωo相稳定区间对应关系的高通量测定方法，包括以下步骤：
[0080]
步骤一和步骤二与实施例1中相同。
[0081]
步骤三：通过电子探针对退火(850℃/90天)扩散多元节中ti3al2ta/ti3al2mn扩散区域进行分析。如图10所示，从上至下扩散层依次为b2+timn2+ti3al
→
b2+ta2al+ti3al
→
ωo+ti3al
→
ωo+tial+ti3al。可以初步获得ωo与b2处于平衡的mn含量为0.3～1.9at.％。
[0082]
步骤四：熔炼制备成分为ti
52.5
al
33.5
ta
13
mn
1.0
(at.％)合金并退火处理(1100℃/20h+850℃/20天)。
[0083]
步骤五：通过电子探针、x射线衍射和透射电镜对合金组织进行分析，如图11所示。可以看到合金含有ωo+b2+ti3al三相。进一步确定在含ta体系中当mn添加量为1.8
±
0.1at.％以内时ωo是存在的。同时可以建立mn在各相中的分配系数，见表3。
[0084]
表3
[0085][0086]
成分设计时可以考虑添加超过1.8at.％的mn，有效阻止ωo相的形成。为了验证这个结论的正确性，合成了代表性的ti3al2ta基体中mn添加量为2.0at.％合金，这个合金经850℃退火后随炉冷却，通过电子探针、x射线衍射和透射电镜对合金组织进行分析，没有发现ωo的存在，如图12所示。说明本发明方法的可靠性和准确性，可以指导合金成分设计、有效避免有害相的出现。
[0087]
实施例4：在含ta体系中，cr对ωo相的稳定性的影响
[0088]
一种建立合金元素与tial基合金中ωo相稳定区间对应关系的高通量测定方法，包括以下步骤：
[0089]
步骤一和步骤二与实施例1中相同。
[0090]
步骤三：通过电子探针对退火(850℃/90天)扩散多元节中ti3al2ta/ti3al2cr扩散区域进行分析。如图13所示，从上至下扩散层依次为b2+ti3al+ti3al
→
b2+tial
→
ωo+tial+ti3al。边界区域存在少量c14(ticr2)。从而可以初步获得ωo与b2处于平衡的cr含量为0.1～1.3at.％。
[0091]
步骤四：熔炼制备成分为ti
50.8
al
35.2
nb
13.5
cr
0.5
(at.％)合金并退火处理(1100℃/20h+850℃/20天)。
[0092]
步骤五：通过电子探针、x射线衍射和透射电镜对合金组织进行分析，如图14所示。可以看到合金含有ωo+b2+tial+ti3al四相。可以进一步确定在含nb体系(即ti3al2nb基体)中当cr添加量为1.2
±
0.1at.％以内时ωo是存在的。同时可以建立cr在各相中的分配系数，见表4。
[0093]
表4
[0094][0095]
那么，成分设计时可以考虑添加超过1.1at.％的cr，有效阻止ωo相的形成。为了验证这个结论的正确性，合成了代表性的ti3al2ta基体中cr添加量为1.3at.％合金，这个合金经850℃退火后随炉冷却，通过电子探针、x射线衍射和透射电镜对合金组织进行分析，均没有发现ωo的存在，如图15所示。说明本发明方法的可靠性和准确性，可以指导合金成分设计、有效避免有害相的出现。
[0096]
实施例5：在含nb体系中，v对o相的稳定性的影响
[0097]
一种建立合金元素与tial基合金中ωo相稳定区间对应关系的高通量测定方法的应用，应用于o-ti2alnb，其中o相成分选择为常见的ti
55
al
23
nb
22
(at.％)。包括以下步骤：
[0098]
步骤一和步骤二与实施例1中相同。不同之处在于熔炼制备成分为ti2alx。
[0099]
步骤三：通过电子探针对退火(850℃/90天)扩散多元节中ti2alv/ti2alnb扩散区域进行分析。如图16所示，从左至右扩散层依次为b2+ti3al
→
b2+ti3al
→
o+b2+ti3al。从而可以初步获得o与b2处于平衡的v含量为5.0～12.0at.％。
[0100]
步骤四：熔炼制备成分为ti
55
al
23
nb
15.5v6.5
(at.％)合金并退火处理(1100℃/20h+850℃/20天)。
[0101]
步骤五：通过组织分析，如图17所示。可以看到合金含有o+b2+ti3al三相。可以进一步确定在含nb体系(即ti
55
al
23
nb
22
基体)中当cr添加量为11.1
±
0.1at.％以内时o是存在的。
[0102]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的方案所作的举例，而并非对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。