一种高Nb-TiAl合金及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种高Nb-TiAl合金及其制备方法，属于有色金属熔炼领域，此合金的制备方法为两次真空磁悬浮熔炼，并且两次熔炼中采取不同的工艺制度充入高纯Ar气。所述第一次，先将物料置于坩埚中抽真空，再进行在15-40kw在较低功率的预热熔炼后充入高纯Ar气，然后将功率调至35-45kw使Al块料完全熔化后，调至85-110kw熔炼后,停止加热使合金随水冷铜坩埚冷却；第二次，抽真空，先低功率烘料后，将功率至85-110kw，待物料熔化后，充入高纯Ar气，将功率提高到110-125kw熔炼后降低至85-110kw浇注。通过上述熔炼工艺的合理设计，可以将高Nb-TiAl合金中的含氧量降低到300ppm，相比现有熔炼工艺，含氧量降低40%-70%。成分控制准确的同时并且组织的均匀性得到显著提高，合金中不存在裂纹以及非金属夹杂缺陷，使其加工性能得到提高。
【专利说明】—种高Nb-TiAI合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于有色金属熔炼领域，尤其涉及一种高Nb-TiAl合金及其真空磁悬浮熔炼工艺。
【背景技术】
[0002]TiAl基金属间化合物合金具有轻质，高温强度高，高温抗氧化性好的特点，对于飞机发动机减重，提高发动机的推重比，降低能耗具有重要意义，高Nb含量的加入使TiAl合金的液相线温度提高了约100°C，高温强度提高了 30(T500MPa，并且研究表明Nb的添加显著的提高了高温抗氧化性，因此在航空发动机70(T90(TC的工作温度内具有很大的应用潜力。
[0003]高Nb-TiAl合金的力学性能主要由组织所决定，合金中的偏析，夹杂，间隙杂质元素均会引起组织以及力学性能的不均匀，并会进一步影响挤压，锻造和轧制过程。高Nb-TiAl合金的组织受Al含量的影响较大，Al含量的不同会引起合金不同的凝固方式，产生不同固态转变产物，并且Al元素相比于Ti和Nb具有优先挥发性，因此在高Nb-TiAl合金制备过程中Al含量的控制需引起足够的重视。具有高熔点的Ti在熔融下具有很强的吸气性，因此高Nb-TiAl合金的含氧量相比钢铁材料高一个数量级。根据采取的制备工艺不同，其氧含量通常在50(Tl000wtppm，氧在TiAl合金中以间隙固溶和氧化物的形式存在，较高的氧含量不仅会恶化材料的力学性能，而且对TiAl合金凝固后的固态转变也有较大影响，因此航空航天用材对TiAl合金的氧含量也有着严格的要求。
[0004]基于以上特点，高Nb-TiAl合金的制备广泛采用真空冶炼以及水冷铜坩埚技术，常见的制备方式有真空自耗电弧熔炼法(VAR)，等离子束冷床熔炼法(PAM)，真空感应熔炼法(ISM)。高Nb-TiAl合金的质量与制备方法有关，同时还与制备工艺有关，但上述方法均存在合金的含氧量高、Al含量和成分的均匀性难以保证的问题，从而导致锻造及轧制性能不理想。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是，现有技术中，高Nb-TiAl合金的成分不均匀、Al的挥发损失和含氧量高，从而影响其加工性能及高温的力学性能。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案。
[0007]一种高Nb-TiAl合金的制备方法，此制备方法为两次真空磁悬浮熔炼，并且在两次熔炼中采取不同的工艺制度。
[0008]上述制备方法的优选方案为，所述熔炼分为两次，第一次，先将物料置于坩埚中抽真空，在低功率的预热后充入高纯Ar气，然后将功率调至35-45kw使Al块完全熔化后，将功率调至85-llOkw，熔炼15-25分钟后，停止加热使合金随水冷铜坩埚冷却；第二次，抽真空，先低功率35-45kw烘料后，将功率提升至85-llOkw，待物料熔化形成驼峰后，充入高纯Ar气，后将功率提高到110-125kw熔炼8_15分钟，后将功率降低至85_110kw浇注。[0009]上述制备方法的优选方案为，所述第一次熔炼的工艺为，在水冷铜坩埚内放置海绵钛、高纯Al ±夹，将AlNb74 (wt.%冲间合金放于布料斗中，当真空度达到5.5X 10_3pa后，进行功率为15-25kw、3-5分钟的预热后充入高纯Ar气使熔炼室达450Pa以上，再将功率加至35-45kw，使Al块完全熔化物料气体完全释放后，将功率加到85-1 IOkw熔炼15-25分钟，熔体驼峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中间合金，最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却；第二次熔炼的工艺为，抽真空至5.5X10_3pa后，进行功率为35-45kw、5-15分钟的预热后，将功率升至85-llOkw熔炼，待坩埚中物料熔化形成驼峰后，封闭炉体并充入高纯Ar气，使熔炼室达360-400Pa，将熔炼功率加到115_125Kw熔炼8_15分钟，后将功率降至85-llOkw浇注，得到本发明的高Nb-TiAl合金。
[0010]上述制备方法的优选方案为，所述第一次熔炼的工艺为，在水冷铜坩埚内依次放置海绵钛、高纯Al块，将AlNb74(wt.%)中间合金放于布料斗中，当真空度达到5.5X IO^pa后，进行功率为20kw、4分钟的预热后充入高纯Ar气使熔炼室达500Pa，再将功率加至40kw,使Al块完全熔化物料气体完全释放后，迅速将功率加到IOOkw熔炼20分钟，熔体驼峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中间合金，后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却；第二次熔炼的工艺为，抽真空至5.5X 10_3pa后，进行功率为40kw、10分钟的烘料后，迅速将功率升至IOOkw熔炼，待坩埚中物料熔化形成驼峰后，封闭炉体并充入高纯Ar气，使熔炼室达400Pa，将熔炼功率加到120kw熔炼10分钟后，将功率降至IOOkw浇注，得到本发明的高Nb-TiAl合金。
[0011]上述制备方法的优选方案为，所述物料在熔炼前进行预处理，其处理工艺为，将物料用纯度大于99.7%的无水乙醇清洗，并将其平铺在室温下风干2小时以上。
[0012]上述制备方法的优选方案为，所述物料分别为纯度高于99.99%的高纯Al块、工业用零级海绵钛、AlNb74(wt.%)中间合金为颗粒状。
[0013]上述制备方法的优选方案为，所述物料包括微量合金原料Cr、V、W、Mo、Mn、S1、B、Y，在熔炼前，将上述微量合金与AlNb74(wt.%)中间合金一起加入布料斗。
[0014]上述制备方法的优选方案为，所述物料的放置次序为，在水冷铜坩埚内由底向上依次放的物料为海绵钛、高纯Al块。
[0015]上述制备方法的优选方案为，所述第二次熔炼前，将第一次熔炼后的铸锭上下面翻转后放入水冷坩埚内，再进行第二次熔炼。
[0016]本发明还涉及上述制备方法制得的高Nb-TiAl合金，所述合金的主要成分为Ti (45-48) at.%A1 (7-10) at.%Nb，合金中的含氧量低于 300ppm。
[0017]在第一次熔炼中，首先在15_25kw的熔炼功率下进行预热，以去除原料表面以物理吸附存在的气体和水蒸气；然后反充高纯Ar至500Pa，一是防止稍后高功率下海绵钛熔化中因溶解气体迅速释放而造成“热爆”损失，二是降低Al块熔化过程中的挥发速率。将功率提升至35-45kw，先使Al块完全熔化，然后在85-115kw的高功率下利用其强烈的磁搅拌作用熔炼15-25分钟，增强熔体成分的均匀性，但是由于坩埚水冷的作用，一次熔炼铸锭底部仍然存在少量未熔的海绵钛，因此在二次熔`炼中将一次熔炼铸锭翻转放入坩埚，并在35-45kw的熔炼功率下对一次熔炼铸锭进行预热，然后迅速提升功率至85-110达到合金熔化的温度，此时与一次熔炼不同的是，熔炼室仍然处于较高的真空度下(约I(T2Pa),因此在合金的熔化中，由于熔炼室较低的氧分压，促进了熔体脱氧的进行。但是较高的真空度会加剧Al元素的挥发，因此在熔体驼峰形成后立刻将熔炼室封闭并反充高纯Ar至400Pa以上控制Al元素的挥发，由于真空磁悬浮熔炼法物料在较短的时间内即可熔化，因此这样的工艺选择即可以促进熔体脱氧又可以抑制Al元素的挥发损失。此后将功率提升至110-125kw增加熔体的过热度，并利用其磁搅拌作用熔炼8-15分钟保证成分的均匀性。
[0018]本发明相对于现有技术的有益效果是，通过上述熔炼工艺的合理设计，可以将高Nb-TiAl合金中的含氧量降低到300ppm，相比现有熔炼工艺，含氧量降低40%_70%。成分控制准确的同时组织的均匀性得到显著提高，低倍组织观察表明合金中不存在裂纹以及非金属夹杂缺陷，使其加工性能得到提高，室温力学性能测试结果表明，在相同成分下，相比于现有制备方法，使用本发明的制备方法使室温塑性由0.2%提高到0.42%，断裂强度由590MPa 提高到 640MPa。
[0019]
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是实施例1-3制备的高Nb-TiAl合金铸锭横截面低倍照片；
图2是实施例2制备的高Nb-TiAl合金显微组织SEM组织；
图3是实施例3制备的高Nb-TiAl合金不同位置的成分分布曲线；
图4是实施例1-3制备的高Nb-TiAl合金含氧量与现有技术的对比图；
图5是实施例1制备的高Nb -TiAl合金抗拉强度-温度关系曲线；
图6是实施例1制备的高Nb-TiAl合金延伸率-温度关系曲线。
【具体实施方式】
[0021]实施例1
实验所用名义成分T1-45Al-8.5Nb-0.2ff-0.2B-0.02Y(at.%)，原料分别为工业零级海绵钛、高纯Al块(99.99%)、AlNb74 (wt.%)中间合金、高纯度W粉、B粉、Y屑。原料分别使用无水乙醇浸泡清洗，后室温下自然烘干2小时。第一次熔炼工艺首先将坩埚内由底向上依次布置海绵钛和高纯Al块，AlNb74中间合金和其他微合金元素放入布料斗，然后抽真空至5.5 X 10_3Pa。在15kw的功率下预热3分钟，后充入高纯Ar气使熔炼室达450Pa，再将功率加至35kw，使Al块完全熔化物料气体完全释放后，将功率加到85kw熔炼15分钟，熔体驼峰形成后加入布料斗中的原料，最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却；第二次熔炼的工艺为，抽真空至5.5X10_3pa后，进行功率为35kw、5分钟的预热后，将功率升至85kw，待坩埚中物料熔化形成驼峰后，封闭炉体并充入高纯Ar气，使熔炼室真空度达360Pa，将熔炼功率加到115kw熔炼8分钟，后将功率降至85kw浇注，得到本发明的高Nb-TiAl合金。
[0022]实施例2
实验所用名义成分T1-46Al-7Nb-2.5V-1.0Cr (at.%)，原料分别为工业零级海绵钛、高纯 Al 块(99.99%)、AlNb74 (wt.%)中间合金、电解 V (99.92%)、AlCr20 (wt.%)中间合金。原料分别使用无水乙醇浸泡清洗，后室温下自然烘干2小时。第一次熔炼工艺首先将坩埚内由底向上依次布置海绵钛和高纯Al块，布料斗内放入AlNb74中间合金、电解V、AlCr20中间合金，然后抽真空至5.5X10_3Pa。在20kw的功率下预热4分钟，后充入高纯Ar气使熔炼室达500Pa，再将功率加至40kw，使Al块完全熔化物料气体完全释放后，将功率加到IOOkw熔炼20分钟，熔体驼峰形成后加入布料斗中的原料，最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却；第二次熔炼的工艺为，抽真空至5.5X10_3pa后，进行功率为40kw、10分钟的预热后，将功率升至lOOkw，待坩埚中物料熔化形成驼峰后，封闭炉体并充入高纯Ar气，使熔炼室真空度达380Pa，将熔炼功率加到120kw熔炼10分钟，后将功率降至IOOkw浇注，得到本发明的高Nb-TiAl合金。
[0023] 实施例3 实验所用名义成分T1-48Al-10Nb，原料分别为工业零级海绵钛、高纯Al块(99.99%)、AlNb74(wt.%)中间合金。原料分别使用无水乙醇浸泡清洗，后室温下自然烘干2小时。第一次熔炼工艺首先将坩埚内由底向上依次布置海绵钛和高纯Al块，布料斗内放入AlNb74中间合金，然后抽真空至5.5X10_3Pa。在25kw的功率下预热5分钟，后充入高纯Ar气使熔炼室达500Pa，再将功率加至45kw，使Al块完全熔化物料气体完全释放后，将功率加到IlOkw熔炼25分钟，熔体驼峰形成后加入布料斗中的原料，最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却；所述第二次熔炼前，将第一次熔炼后的铸锭上下面翻转后放入水冷坩埚内，再进行第二次熔炼。第二次熔炼的工艺为，抽真空至5.5X10_3pa后，进行功率为45kw、15分钟的预热后，将功率升至llOkw，待坩埚中物料熔化形成驼峰后，封闭炉体并充入高纯Ar气，使熔炼室真空度达400Pa，将熔炼功率加到125kw熔炼15分钟，后将功率降至IlOkw浇注，得到本发明的高Nb-TiAl合金。
【权利要求】
1.一种高Nb-TiAl合金的制备方法，其特征在于，此制备方法为两次真空磁悬浮熔炼，并且两次熔炼采取不同的工艺制度。
2.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼分为两次，第一次，先将物料置于坩埚中抽真空，在低功率的预热后充入高纯Ar气，然后将功率调至35-45kw使Al块完全熔化后，将功率调至85-1 lOkw，熔炼15-25分钟后，停止加热使合金随水冷铜坩埚冷却；第二次，抽真空，先低功率35-45kw烘料后，将功率提升至85-110kw，待物料熔化形成驼峰后，充入高纯Ar气，后将功率提高到110-125kw熔炼8_15分钟，后将功率降低至85-1 IOkw浇注。
3.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述第一次熔炼的工艺为，在水冷铜坩埚内放置海绵钛、高纯Al块，将AlNb74 (wt.%)中间合金放于布料斗中，当真空度达到5.5X10_3pa后，进行功率为15-3025kw、153-25分钟的预熔炼热后充入高纯Ar气使熔炼室达450450Pa以上，再将功率加至35_45kw，使Al块完全熔化物料气体完全释放后，将功率加到9085-12010kw熔炼15-25分钟，熔体驼峰形成后加入布料斗中的AlNb74(wt.%)中间合金，最后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却；第二次熔炼的工艺为，抽真空至5.5X10_3pa后，进行功率为35-45kw、5-15分钟的预热烘料后，将功率升至9085-12010kw熔炼，待坩埚中物料熔化形成驼峰后，封闭炉体并充入高纯Ar气，使熔炼室真空度达400360-400Pa，将熔炼功率加到115_125Kw熔炼8_15分钟，后将功率降至9085-12010kw浇注，得到本发明的高Nb-TiAl合金。
4.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述第一次熔炼的工艺为，在水冷铜坩埚内依次放置海绵钛、高纯Al块，将AlNb74 (wt.%)中间合金放于布料斗中，当真空度达到5.5X 10_3pa后，进行功率为20kw、204分钟的预热熔炼后充入高纯Ar气使熔炼室达500Pa，再将功率加至40kw，使Al块完全熔化物料气体完全释放后，迅速将功率加到IOOkw熔炼20分钟，熔体驼峰形成后加入布料斗中的AlNb74 (wt.%)中间合金，后停止功率使合金熔体随水冷铜坩埚冷却；第二次熔炼的工艺为，抽真空至5.5X 10_3pa后，进行功率为40kw、10分钟的烘料后，迅速将功率升至IOOkw熔炼，待坩埚中物料熔化形成驼峰后，封闭炉体并充入高纯Ar气，使熔炼室真空度达400Pa，将熔炼功率加到120kKw熔炼10分钟后，将功率降至IOOkw浇注，`得到本发明的高Nb-TiAl合金。
5.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述物料在熔炼前进行预处理，其处理工艺为，将物料用纯度大于99.7%的无水乙醇清洗，并将其平铺在室温下风干2小时以上。
6.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述物料分别为纯度高于99.99%的高纯Al块、工业用零级海绵钛、AlNb74(wt.%)中间合金为颗粒状。
7.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述物料包括微量合金原料为Cr、V、W、Mo、Mn、S1、B、Y，在熔炼前，将上述微量合金与AlNb74(wt.%)中间合金一起加入布料斗。
8.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述物料的放置次序为，在水冷铜坩埚内由底向上依次放的物料为海绵钛、高纯Al块。
9.根据权利要求1所述的一种高Nb-TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述第二次熔炼前，将第一次熔炼后的铸锭上下面翻转后放入水冷坩埚内，再进行第二次熔炼。
10.如权I所述制备方法制得的高Nb-TiAl合金，其特征在于，所述合金的主要成分为Ti (45-48) at.%A1 (7-10) at.%Nb，合金中的含氧量低于 300ppm。
【文档编号】C22C1/03GK103572082SQ201310582389
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】林均品, 张志勇, 张来启, 梁永峰, 郝国建 申请人:北京科技大学