AlC颗粒细化γ-TiAl金属间化合物材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属间化合物材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]γ -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铸态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γ-TiAl的铸态组织。含β相γ-TiAl基合金就是利用这种方法，通过降低Al含量和添加足够量的β稳定元素使合金由传统的L —L+β — α…转变为L —L+β — β —…，得到细小的铸态组织。但是含β相γ-TiAl基合金中Al元素的含量一般在43?45at%之间，而目前世界上应用于铸造的γ-TiAl基合金的Al含量在45?48at%之间，两种合金的凝固路径有本质的区别，因此这种方法并不适用。同时研究者发现，在铸造Y-TiAl基合金添加少量的单质硼可以显著的细化合金组织，但是由于单质硼在熔炼过程中与TiAl合金熔体发生剧烈的放热反应，导致铸锭或铸件中存在大量的气孔，且其成本昂贵。碳具有与硼相似的特征，且其成本较低，并常在γ-TiAl基合金中用来提高合金的高温抗婦变性能。然而，关于碳化物颗粒细化的γ-TiAl金属间化合物材料的制备及碳化物在γ-TiAl合金中的物理冶金行为尚未见报道。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了解决单质硼在熔炼过程中与TiAl合金熔体发生剧烈的放热反应，导致铸锭或铸件中存在大量的气孔，且其成本昂贵的技术问题，提供了一种Ti2AlC颗粒细化γ-TiAl金属间化合物材料及其制备方法。
[0004]Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物材料按照原子数百分含量由46%?48%的Al、2 %的Nb、2 %的Cr、0.5?I %的TiC和余量的Ti组成。
[0005]Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物材料的制备方法按照以下步骤进行:
[0006]一、按照原子数百分含量称取46%?48%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.5?1%的TiC和余量的Ti的比例海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和TiC粉末；
[0007]二、将步骤一称取得原料通过金属压块机进行压块成型，得到压块，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、电解铬层、TiC层和海绵钛层；
[0008]三、将得到的压块放入到水冷铜坩祸感应熔炼炉中，熔炼前将金属铸型预热至300?400°C，将水冷铜坩祸真空感应熔炼炉抽真空至1.0?3.0X 10 mbar,以10?15kW/min速率将熔炼功率升至85?90kW后停止增加功率，然后在恒定功率下熔炼压块300?360s，得熔体；
[0009]四、将熔体浇铸到预热后的金属铸型中，形成Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物铸锭，并随炉冷却。
[0010]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%,TiC的质量纯度为99.99%;各原料为市售产品。
[0011]本发明确定了 TiC的最佳加入量范围，在材料凝固过程中，TiC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 — a+Ti2AlC…，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100 μ m左右，形成的Ti2AlC相在组织中均匀分布。细小均匀、无明显偏析的组织有利于改善合金的综合性能。
【附图说明】
[0012]图1是实验一制备的Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物材料扫描电子显微图；
[0013]图2是实验二制备的Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物材料层片组织透射电子显微图；
[0014]图3是实验二制备的Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物材料Ti2AlC颗粒透射电子显微图；
[0015]图4是实验二制备的Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物材料中碳化物的选区衍射斑点图。
【具体实施方式】
[0016]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意组合。
[0017]【具体实施方式】一:本实施方式所述Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物材料按照原子数百分含量由46 %?48 %的Al、2 %的Nb、2 %的Cr、0.5?I %的TiC和余量的Ti组成。
[0018]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是所述Ti2AlC颗粒细化T-TiAl金属间化合物材料按照原子数百分含量由47%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.6%的TiC和余量的Ti组成。其它与【具体实施方式】一相同。
[0019]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同的是所述Ti2AlC颗粒细化γ-TiAl金属间化合物材料按照原子数百分含量由46%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.7%的TiC和余量的Ti组成。其它与【具体实施方式】一或二之一相同。
[0020]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是所述Ti2AlC颗粒细化γ-TiAl金属间化合物材料按照原子数百分含量由48%的Al、2%的Nb、2%的Cr、
0.8%的TiC和余量的Ti组成。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0021]【具体实施方式】五:【具体实施方式】一所述Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物材料的制备方法，其特征在于Ti2AlC颗粒细化γ -TiAl金属间化合物材料的制备方法按照以下步骤进行:
[0022]一、按照原子数百分含量称取46%?48%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.5?1%的TiC和余量的Ti的比例海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和TiC粉末；
[0023]二、将步骤一称取得原料通过金属压块机进行压块成型，得到压块，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、电解铬层、TiC层和海绵钛层；
[0024]三、将得到的压块放入到水冷铜坩祸感应熔炼炉中，熔炼前将金属铸型预热至300?400°C，将水冷铜坩祸真空感应熔炼炉抽真空至1.0?3.0X 10 mbar,以10?15kW/min速率将熔炼功率升至85?90kW后停止增加功率，然后在恒定功率下熔炼压块300?360s，得熔体；
[0025]四、将熔体浇铸到预热后的金属铸型中，形成Ti2AlC颗粒细化γ-TiAl金属间化合物铸锭，并随炉冷却。
[0026]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】五不同的是步骤一中按照原子数百分含量称取47%的Al、2%的Nb、2%的Cr、0.6%的TiC和余量的Ti。其它与【具体实施方式】五相同。
[0027]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】五或六不同的是步骤三中熔炼前将金属铸型预热至350°C。其它与【具体实施方式】五或六相同。
[0028]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】五至七之一不同的是步骤三中将水冷铜坩祸真空感应熔炼炉抽真空至2.0X 10 3mbar。其它与【具体实施方式】一至七之一相同。
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