一種鈦鋁金屬間化合物的熔煉制備方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種鈦鋁金屬間化合物的熔煉制備方法，該方法采用海綿鈦、鋁豆及其它中間合金為原料，在冷坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉爐坩堝中進行分層布料；抽真空后回填惰性氣體并進行熔煉，熔煉過程中分階段依次調(diào)高功率，最終將熔體澆注或在坩堝內(nèi)冷卻，得到成分均勻的合金。該熔煉方法不用壓制電極，通過感應(yīng)熔煉的電磁攪拌功能能夠得到成分均勻、純度高的合金。該方法特別適用于γ-TiAl、Ti3Al及Ti2AlNb等鈦鋁金屬間化合物的熔煉制備。
【專利說明】一種鈦鋁金屬間化合物的熔煉制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種鈦鋁金屬間化合物的熔煉制備方法，涉及金屬合金材料冶金領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 鈦鋁金屬間化合物具有強度高、質(zhì)量輕、抗氧化性好，及高溫力學(xué)性能好等優(yōu)點， 應(yīng)用于航空發(fā)動及飛行器零部件，能夠有效降低飛行器結(jié)構(gòu)重量，提高飛行器續(xù)航能力及 飛行速度，同時還能提高燃油效率，降低飛行成本，具有很大的應(yīng)用前景。但是由于該類型 合金的各組元之間的熔點、密度等物性差別大，導(dǎo)致很難獲得成分均勻的合金；鈦、鋁等因 素反應(yīng)活性高，且對間隙元素的敏感性高，在熔煉過程中極易遭受污染；合金元素溶解過程 的反應(yīng)熱高，熔煉過程不易控制，而合金成分容錯度小，成分的微量變化往往會造成性能的 巨大差異。這樣的特點給獲得高質(zhì)量的合金熔體和鑄錠增加了困難，對該類合金的熔煉提 出了苛刻的要求。因此所以選擇合適的熔煉工藝，獲得成分均勻、準確、雜質(zhì)含量低的鈦錯 金屬間化合物是溶煉急需解決的問題。
[0003] 真空感應(yīng)凝殼熔煉技術(shù)（Induction Skull Melting, ISM)是目前世界上先進的熔 煉高反應(yīng)性合金的方法之一。該方法使用由數(shù)個弧形的銅塊組成坩堝，外部環(huán)繞感應(yīng)線圈， 在熔煉過程中，置入交變電磁場內(nèi)的每個銅塊都產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于磁場的環(huán)狀效應(yīng)而在 坩堝內(nèi)部形成一個強磁場，在金屬爐料內(nèi)產(chǎn)生強大的感應(yīng)電流而使?fàn)t料迅速熔化。并且在 熔煉過程中，爐料熔體由于電磁斥力與坩堝之間保持非接觸的懸浮翻滾狀態(tài)，產(chǎn)生強烈的 攪拌作用，使熔體整體成分一致、溫度均勻、氣體最終含量較??；金屬爐料由于水冷銅坩堝 的激冷作用而形成一層極薄的凝殼，把熔融的金屬與坩堝壁隔開，阻斷了合金熔體與銅坩 堝之間的反應(yīng)，避免了坩堝材料對金屬熔體的污染。因此，該方法是一種優(yōu)良的熔煉鈦鋁金 屬間化合物的方法。
[0004] 但是，采用該方法熔煉鈦鋁金屬間化合物也存在一些技術(shù)問題。首先，由于海綿 鈦等原料與鋁單質(zhì)的熔煉差別達到近1000攝氏度，在真空熔煉過程中，海綿鈦等原料熔化 時，鋁已經(jīng)大量蒸發(fā)，造成元素損失，給合金成分精確控制帶來一定難度；另一方面由于鈦、 鋁等單質(zhì)合金化是放熱過程，熔煉過程中將產(chǎn)生大量的熱，控制不當(dāng)，將會造成噴濺甚至發(fā) 生熱爆現(xiàn)象，對設(shè)備造成損傷。因此，利用真空感應(yīng)凝殼熔煉技術(shù)熔煉鈦鋁金屬間化合物具 有較高的技術(shù)門檻。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計提供了 一種鈦鋁金屬間化合 物的熔煉制備方法，其目的是為了進一步提高鈦鋁金屬間化合物的均勻化程度，解決鈦鋁 金屬間化合物感應(yīng)熔煉發(fā)生噴濺或者熱爆的問題。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0007] 該種鈦鋁金屬間化合物的熔煉制備方法，所述鈦鋁金屬間化合物為TiAl合金、 Ti3Al合金和Ti2AlNb合金，其特征在于：該方法的步驟如下：
[0008] ⑴稱料
[0009] 按照鈦鋁金屬間化合物的成分配比，稱取海綿鈦、鋁豆或鋁塊，及單質(zhì)元素、中間 合金或單質(zhì)元素加中間合金，按種類分別裝在不同的容器中備用；
[0010] 海綿鈦的純度是A級或OA級；
[0011] 鋁豆或鋁塊中純鋁的質(zhì)量分數(shù)不小于99. 99% ;
[0012] 單質(zhì)元素是指吣、〇、1、]?0、]\111、了331'、附或8中的一種或幾種；
[0013] 中間合金是指AlNb合金、AlMo合金、AlMn合金、AlSi合金、AlV合金、AlY合金、 AlEr合金、TiSn合金、TiNb合金或TiB2合金中的一種或幾種；
[0014] ⑵布料
[0015] 2. 1將原料分層裝進水冷銅鉗鍋真空感應(yīng)熔煉爐坩堝當(dāng)中，在坩堝底部鋪海綿鈦 層I或者放置凝殼，該位于坩堝底部的海綿鈦層I的厚度為1?5厘米；
[0016] 2. 2在底部的海綿鈦層I或凝殼上面鋪單質(zhì)元素層、中間合金層或單質(zhì)元素層加 中間合金層，之后在上面再鋪海綿鈦層II，單質(zhì)元素層及中間合金層的厚度為〇. 1?5厘 米，海綿鈦層II的厚度為1?5厘米；
[0017] 2. 3重復(fù)上述步驟2. 2至單質(zhì)元素、中間合金原料用盡，然后鋪鋁豆或鋁塊層，最 后在鋁豆或鋁塊層上面再鋪海綿鈦層III，海綿鈦層III的厚度為1?5厘米；
[0018] 所述凝殼的材料是與所制備合金具有相同成分的合金，或純鈦凝殼；
[0019] ⑶關(guān)閉爐門后抽真空，抽真空按以下兩種方式之一完成：
[0020] 3. 1抽真空度達到IPa以下，回填氬氣或氦氣至300?30000Pa進行熔煉；
[0021] 3. 2抽真空度達到IOPa以下后回填氬氣或氦氣，然后再次抽真空到IOPa以下后 回填氬氣或氦氣，反復(fù)進行1?5次以降低爐內(nèi)氧、氮等氣體元素含量，回填氬氣或氦氣至 300?30000Pa進行熔煉；
[0022] ⑷烙煉
[0023] 熔煉開始后，首先以20?100KW的功率對原料烘烤1?5分鐘，然后提高功率至 原料周圍出現(xiàn)紅熱后保溫2?10分鐘，直至坩堝內(nèi)原料中心部位紅透，再次提高功率至原 料周圍出現(xiàn)液滴后保溫1?10分鐘，此時原料逐漸熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔 體溫度達到合金熔點以上20?KKTC，并保溫1?20分鐘，懸浮的熔體在電磁攪拌作用下 實現(xiàn)成分均勻；
[0024] (5)成型鑄錠
[0025] 再將功率提高1 %?20 %，提高熔體過熱度，進一步降低熔體的粘度，保溫0. 5? 5min后在坩堝內(nèi)冷卻或澆注成鑄錠。
[0026] 本發(fā)明涉及鈦鋁金屬間化合物制備方法，采用散料進行感應(yīng)熔煉，相對目前熔煉 鈦合金常用的真空自耗熔煉方法，減少了壓電極環(huán)節(jié)，有利于鈦鋁金屬間化合物這類難以 壓電極合金的制備；爐料熔化后形成的熔體在強烈的電磁力作用下流動，加速高熔點原料 熔化及擴散，能夠消除高密度夾雜，制備出的合金成分均勻一致；根據(jù)不同原料的物理特點 進行分層布料，解決了該型合金在感應(yīng)熔煉過程出現(xiàn)噴濺、熱爆現(xiàn)象的問題；并通過控制熔 煉真空度，減少低熔點元素的揮發(fā)，提高熔煉合金成分的準確性，能有效實現(xiàn)對合金成分的 精確控制。
[0027] 本發(fā)明主要用于制備成分均勻的Y-TiAl、Ti3Al及Ti2AlNb等鈦鋁金屬間化合 物，具有十分重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用市場。

【具體實施方式】
[0028] 以下將結(jié)合實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步地詳述：
[0029] 實施例1
[0030] 制備的鈦鋁金屬間化合物為TiAl合金，設(shè)備采用20公斤水冷銅鉗鍋真空感應(yīng)熔 煉爐，該方法的步驟如下：
[0031] ⑴稱料
[0032] 按照鈦鋁金屬間化合物的成分配比，稱取OA級海綿鈦5. 86kg、鋁豆3. 24kg， AlNb75合金顆粒0. 63kg，鉻粉0. 27kg，并分別裝在不同的容器中備用；
[0033] 鋁豆或鋁塊中純鋁的質(zhì)量分數(shù)99. 99% ;
[0034] ⑵布料
[0035] 2. 1在坩堝底部放置TiAl合金凝殼；
[0036] 2. 2在凝殼上面鋪海綿鈦層II，厚度為2厘米，然后鋪AlNb75合金顆粒層，厚度1 厘米，再鋪鉻粉層，厚度〇. 5厘米；
[0037] 2. 3重復(fù)上述步驟2. 2過程4次將AlNb75合金顆粒及鉻粉用盡，然后鋪鋁豆層，最 后在鋁豆或鋁塊層上面再鋪海綿鈦層III，海綿鈦層III的厚度為5厘米；
[0038] ⑶關(guān)閉爐門后抽真空：
[0039] 抽真空度達到3Pa以下，然后回填氬氣至300Pa，然后進行熔煉；
[0040] ⑷熔煉
[0041] 熔煉開始后，首先以20?100KW的功率對原料烘烤2分鐘，然后提高功率至原料 周圍出現(xiàn)紅熱后保溫10分鐘，直至坩堝內(nèi)原料中心部位紅透，再次提高功率至原料周圍出 現(xiàn)液滴后保溫8分鐘，此時原料逐漸熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔體溫度達到 1800°C，并保溫10分鐘，懸浮的熔體在電磁攪拌作用下實現(xiàn)成分均勻；
[0042] (5)成型鑄錠
[0043] 再將功率提高20 %，提高熔體過熱度，進一步降低熔體的粘度，保溫0. 5min后澆 注成直徑120mm的鑄錠。
[0044] 在鑄錠上部、中間及下部取樣進行成分分析，不同元素質(zhì)量百分含量如下表所 示：

【權(quán)利要求】
1. 一種鈦鋁金屬間化合物的熔煉制備方法，所述鈦鋁金屬間化合物為TiAl合金、 Ti3Al合金和Ti2AlNb合金，其特征在于：該方法的步驟如下： ⑴稱料 按照鈦鋁金屬間化合物的成分配比，稱取海綿鈦、鋁豆或鋁塊，及單質(zhì)元素、中間合金 或單質(zhì)元素加中間合金，按種類分別裝在不同的容器中備用； 海綿鈦的純度是A級或0A級； 鋁豆或鋁塊中純鋁的質(zhì)量分數(shù)不小于99. 99% ; 單質(zhì)元素是指吣、0、1、]?〇、]\111、了3、￡1'、附或8中的一種或幾種； 中間合金是指AlNb合金、AlMo合金、AIMn合金、AlSi合金、A1V合金、A1Y合金、AlEr 合金、TiSn合金、TiNb合金或TiB2合金中的一種或幾種； (2)布料 2. 1將原料分層裝進水冷銅鉗鍋真空感應(yīng)熔煉爐坩堝當(dāng)中，在坩堝底部鋪海綿鈦層I 或者放置凝殼，該位于坩堝底部的海綿鈦層I的厚度為1?5厘米； 2. 2在底部的海綿鈦層I或凝殼上面鋪單質(zhì)元素層、中間合金層或單質(zhì)元素層加中間 合金層，之后在上面再鋪海綿鈦層II，單質(zhì)元素層及中間合金層的厚度為〇. 1?5厘米，海 綿鈦層II的厚度為1?5厘米； 2. 3重復(fù)上述步驟2. 2至單質(zhì)元素、中間合金原料用盡，然后鋪鋁豆或鋁塊層，最后在 鋁豆或鋁塊層上面再鋪海綿鈦層III，海綿鈦層III的厚度為1?5厘米； 所述凝殼的材料是與所制備合金具有相同成分的合金，或純鈦凝殼； ⑶關(guān)閉爐門后抽真空，抽真空按以下兩種方式之一完成： 3. 1抽真空度達到IPa以下，回填氬氣或氦氣至300?30000Pa進行熔煉； 3. 2抽真空度達到10Pa以下后回填氬氣或氦氣，然后再次抽真空到10Pa以下后回填氬 氣或氦氣，反復(fù)進行1?5次以降低爐內(nèi)氧、氮等氣體元素含量，回填氬氣或氦氣至300? 30000Pa進行熔煉； ⑷熔煉 熔煉開始后，首先以20?100KW的功率對原料烘烤1?5分鐘，然后提高功率至原料 周圍出現(xiàn)紅熱后保溫2?10分鐘，直至坩堝內(nèi)原料中心部位紅透，再次提高功率至原料周 圍出現(xiàn)液滴后保溫1?10分鐘，此時原料逐漸熔化，待原料完全熔化后提高功率，使熔體溫 度達到合金熔點以上20?KKTC，并保溫1?20分鐘，懸浮的熔體在電磁攪拌作用下實現(xiàn) 成分均勻； (5)成型鑄錠 再將功率提高1 %?20%，提高熔體過熱度，進一步降低熔體的粘度，保溫0. 5?5min 后在坩堝內(nèi)冷卻或澆注成鑄錠。
【文檔編號】C22C14/00GK104388753SQ201410608728
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】朱郎平, 李建崇, 南海, 黃東, 羅倩 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院