專利名稱：一種含Er高鈮TiAl金屬間化合物材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含有稀土元素金屬間化合物及其制備工藝，尤其涉及一種含Er高鈮TiAl金屬間化合物材料及其制備方法，屬于金屬間化合物材料。
背景技術(shù)：
TiAl金屬間化合物由于其低密度、低膨脹系數(shù)、高比強(qiáng)度、高彈性模量以及較好的高溫抗蠕變抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天以及汽車(chē)等領(lǐng)域受到高度地重視。然而，TiAl金屬間化合物室溫塑性低和熱加工性能差等缺點(diǎn)限制了其廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在TiAl金屬間化合物的組織、塑性和變形方面做了大量的研究工作。結(jié)果顯示，細(xì)化顯微組織是提高TiAl金屬間化合物力學(xué)性能和熱加工性能的重要手段。而近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外興起的高鈮TiAl金屬間化合物具有良好的綜合性能。然而關(guān)于含有稀土的高鈮TiAl金屬間化合物材料的制備及稀土 Er在TiAl合金中的物理冶金行為尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)在合金熔煉的過(guò)程中添加稀土 Er起到細(xì)化晶粒尺寸和減小層片間距，進(jìn)而改善材料性能的含Er高鈮TiAl金屬間化合物材料及制備方法。本發(fā)明的一種含Er高鈮TiAl金屬間化合物材料，其特征在于，其元素的摩爾百分含量為:41% 46%的Al、5 15% (優(yōu)選8 10%)的Nb、不高于0.4%(優(yōu)選0.2%)的Er和余量的Ti及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的含Er高銀TiAl金屬間`化合物的制備方法,通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的:(I)、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金和鋁鉺中間合金；其中控制Al,Nb,Er和Ti元素的摩爾百分含量為41% 46%的Al、5 15%的Nb、不高于0.4%的Er和余量的Ti及雜質(zhì)；(2)、將步驟(I)稱得的原料分層加入到水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐中，自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、鋁鉺中間合金層和海綿鈦層；熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱至30(T350°C，將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至2.(T3.0X 10-3mbar，以5 lOkw/min (優(yōu)選lOkw/min)增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至160^180kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉f 3min得熔體，使熔體混合均勻；(3)將熔體澆鑄到預(yù)熱后的金屬鑄型中，形成含有稀土 Er的高鈮TiAl金屬間化合物鑄錠，并隨爐冷卻。本發(fā)明步驟(I)中海綿鈦的質(zhì)量純度為99.7%，高純鋁的質(zhì)量純度為99.99%，鋁鈮中間合金的質(zhì)量純度為99.7%，鋁鉺中間合金的質(zhì)量純度為99.5% ;各原料為市售產(chǎn)品。本發(fā)明確定了稀土Er的最佳加入量范圍，在材料凝固過(guò)程中，稀土Er富集在晶界處阻礙和限制了晶粒的長(zhǎng)大，起到細(xì)化晶粒尺寸和層片間距的作用，得到的高鈮TiAl金屬間化合物材料顯微組織非常細(xì)小，形成的富稀土 Er相主要呈現(xiàn)不連續(xù)的點(diǎn)狀及條狀分布在晶界處，晶內(nèi)只有少量的稀土相。隨著稀土 Er含量增加，晶界及晶內(nèi)的富稀土相呈增加趨勢(shì)。研究表明，稀土 Er顯著細(xì)化了高鈮TiAl金屬間化合物的晶粒組織，并且細(xì)化了高鈮TiAl金屬間化合物中的a 2/Y層片間距。本發(fā)明細(xì)化了 TiAl金屬間化合的晶粒尺寸和層片間距，且采用水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單易操作。


圖1實(shí)施例1的含Er高鈮TiAl金屬間化合物T1-46Al-8Nb_0.2Er鑄態(tài)合金光學(xué)顯微組織圖；圖2實(shí)施例1的含Er高鈮TiAl金屬間化合物T1-46Al-8Nb_0.2Er鑄態(tài)合金X-射線衍射譜圖；圖3實(shí)施例1的含Er高鈮TiAl金屬間化合物T1-46Al-8Nb_0.2Er鑄態(tài)合金掃描電子顯微圖；圖4實(shí)施例1的含Er高鈮TiAl金屬間化合物T1-46Al-8Nb_0.2Er鑄態(tài)合金透射電子顯微圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本實(shí)施方式的含Er高銀TiAl金屬間化合物材料制備通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn):一、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金和鋁鉺中間合金，其中Ti45.8at.%、A146at.%、Nb8at.%、Er0.2at.% ;二、將步驟一稱得的原料分層加入到水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐中，由下往上分層分別是海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、鋁鉺中間合金層和海綿鈦層；三、熔煉前，將金屬鑄 型在350°C的溫度下預(yù)熱，水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至3.0X 10_3mbar ;四、以lOkw/min增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至180kw后停止增加功率，然后恒定熔煉功率2min得熔體，使熔體混合均勻；五、將熔體澆鑄到金屬鑄型中，形成含Er高鈮TiAl金屬間化合物鑄錠，鑄錠尺寸為小60 X 120mm,并隨爐冷卻,得到T1-46Al-8Nb-0.2Er化合物鑄錠。米用電火花線切割方法從鑄錠上切取IOX IOmm試樣，金相與掃描試樣經(jīng)金相砂紙從180目磨到2000目，再用電解拋光機(jī)精拋，X射線衍射試樣經(jīng)水洗砂紙從180目磨到1200目，再用無(wú)水乙醇清洗表面，透射樣品為0.2mm的薄片，用砂紙磨到25um厚，再采用雙噴減薄技術(shù)制備。利用金相顯微鏡觀察T1-46Al-8Nb-0.2Er的顯微組織發(fā)現(xiàn)，TiAl合金的組織呈細(xì)小的等軸晶組織，晶粒尺寸在2(Tl80Um之間(不添加稀土 Er的鑄態(tài)高鈮TiAl金屬間化合物材料的晶粒尺寸一般在30(T2000um之間)，見(jiàn)圖1 ;利用XRD (X射線衍射儀)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，合金中出現(xiàn)了富稀土相，見(jiàn)圖2 ;利用掃描電子顯微鏡和電子探針進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，富稀土相主要以顆粒狀和長(zhǎng)條狀分布在晶界，少量分布在晶內(nèi)，見(jiàn)圖3;利用透射電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，含Er高鈮TiAl合金層片間距可以達(dá)到IOOlOOnm之間(不添加稀土 Er的鑄態(tài)高鈮TiAl金屬間化合物材料的層片間距一般在40(T600nm之間)，見(jiàn)圖4。實(shí)施例2(I)、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金和鋁鉺中間合金；其中控制Al,Nb,Er和Ti元素的摩爾百分含量為41% 46%的Al、8 10%的Nb、0.2-0.4%的Er和余量的Ti及雜質(zhì)；(2)、將步驟(I)稱得的原料分層加入到水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐中，自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、鋁鉺中間合金層和海綿鈦層；熔煉前將金屬鑄型預(yù)熱到30(T350°C，水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至2.0^3.0XlO^mbar,以5^10kw/min增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至16(Tl80kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉l 3min得熔體，使熔體混合均勻；(3)將熔體澆鑄到金屬鑄型中，形成含有稀土 Er的高鈮TiAl金屬間化合物鑄錠，并隨爐冷卻。采用與實(shí)施例1相同的表征得到的含Er高鈮TiAl金屬間化合物材料顯微組織非常細(xì)小，形成的富稀土 Er相主要呈現(xiàn)不連續(xù)的點(diǎn)狀及條狀分布在晶界處，晶內(nèi)只有少量的稀土相，同時(shí)減少了 高鈮TiAl金屬間化合物中的Ci2/Y層片間距。
權(quán)利要求
1.一種含Er高鈮TiAl金屬間化合物材料，其特征在于，其元素的摩爾百分含量:41% 46%的Al、5 15%的Nb、不高于0.4%的Er和余量的Ti及不可避免的雜質(zhì)。
2.按照權(quán)利要求1的一種含Er高銀TiAl金屬間化合物材料,其特征在于，Nb的摩爾百分含量8 10%，Er的摩爾百分含量0.2%。
3.按照權(quán)利要求1的一種含Er高銀TiAl金屬間化合物材料,其特征在于，Nb的摩爾百分含量8%, Er的摩爾百分含量0.2%。
4.含Er高鈮TiAl金屬間化合物的制備方法，其特征在于，包括下述步驟: (1)、稱取如下原料:海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金和鋁鉺中間合金；其中控制Al、Nb、Er和Ti元素的摩爾百分含量為41% 46%的Al、5 15%的Nb、不高于0.4%的Er和余量的Ti及雜質(zhì)； (2)、將步驟(I)稱得的原料分層加入到水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐中，自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、鋁鉺中間合金層和海綿鈦層；將金屬鑄型預(yù)熱到30(T350°C，水冷銅坩 堝真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至2.0 3.0X l(T3mbar，以5 10kw/min增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至16(Tl80kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉l 3min得熔體，使熔體混合均勻； (3)將熔體澆鑄到預(yù)熱過(guò)的金屬鑄型中，形成含有稀土Er的高鈮TiAl金屬間化合物鑄徒，并隨爐冷卻。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于，以lOkw/min增長(zhǎng)速率將水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐熔煉功率升至16(Tl80kw。
全文摘要
一種含Er高鈮TiAl金屬間化合物材料及其制備方法，屬于金屬間化合物材料。其元素摩爾含量組成為:41%~46%的Al、5~15%的Nb、不高于0.4%的Er和余量的Ti及不可避免的雜質(zhì)。按照組成將海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、鋁鉺中間合金加入到水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐，抽真空至2.0~3.0×10-3mbar，以5~10kW/min速率將熔煉功率升至160~180kW后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉1~3min得熔體，使熔體混合均勻；將熔體澆鑄到預(yù)熱至300~350℃金屬鑄型中，形成含有稀土Er的高鈮TiAl金屬間化合物鑄錠，并隨爐冷卻。本發(fā)明細(xì)化了TiAl金屬間化合的晶粒尺寸和層片間距。
文檔編號(hào)C22C30/00GK103074520SQ20131001210
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者陳子勇, 宮子琪, 柴麗華, 相志磊 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)