一種含B、Y的細(xì)晶TiAl合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種TiAl合金的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TiAl合金是一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有高熔點(diǎn)、低密度、高彈性模量以及較好的高溫強(qiáng)度、阻燃能力、抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型輕質(zhì)耐熱高溫結(jié)構(gòu)材料，被認(rèn)為是極具競(jìng)爭(zhēng)潛力的下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用結(jié)構(gòu)材料之一。然而，TiAl合金粗大的組織及低的室溫塑性限制了其廣泛應(yīng)用。數(shù)十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在TiAl合金的組織和性能方面做了大量的探索與研究。結(jié)果顯示，通過(guò)加入一定量B、Y等元素，在凝固過(guò)程中硼化物、氧化釔、碳化物阻礙TiAl合金的枝晶長(zhǎng)大，可以細(xì)化TiAl合金的鑄態(tài)組織。而這種細(xì)化方法會(huì)存在以下缺點(diǎn):B、Y等元素對(duì)TiAl合金的細(xì)化有所謂“閾值”，即必須加入相當(dāng)?shù)牧康腂、Y等元素，才能起到細(xì)化效果，少于這個(gè)“閾值”則不能達(dá)到細(xì)化的效果。但是超過(guò)“閾值”的B、Y等元素的加入會(huì)在晶界析出大量的硼化物、氧化釔，降低晶界間的結(jié)合能，降低合金強(qiáng)度、塑性。所以目前需要引入一種新的B、Y元素的加入方式，減弱大量B、Y元素對(duì)合金室溫性能的不良影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是要解決通過(guò)添加B、Y元素來(lái)細(xì)化TiAl合金組織而產(chǎn)生的添加量過(guò)少達(dá)不到細(xì)化效果以及添加量過(guò)多導(dǎo)致合金室溫性能不良的問(wèn)題，而提供一種含B、Y的細(xì)晶TiAl合金的制備方法。
[0004]本發(fā)明的一種含B、Y的細(xì)晶TiAl合金的制備方法按以下步驟進(jìn)行:
[0005]一、將海綿鈦、鋁錠、硼粉和釔鋁中間合金通過(guò)金屬壓塊機(jī)壓塊成型，得到塊體；壓塊前將海綿鈦分成兩份，壓塊時(shí)自下而上各層分別為其中一份海綿鈦、鋁錠、硼粉、釔鋁中間合金和另一份海綿鈦；
[0006]二、將步驟一得到的塊體放入到水冷銅坩禍感應(yīng)熔煉爐中，然后將水冷銅坩禍真空感應(yīng)恪煉爐抽真空至1.0X10 3mbar?3.0X10 3mbar，再以10kW/min?15kW/min的速率將熔煉功率升至85kW?90kW，然后在85kW?90kW的恒定功率下熔煉300s?360s，得到熔體；
[0007]三、先將金屬鑄型預(yù)熱至溫度為300°C?400°C，然后將步驟二得到的熔體澆鑄到預(yù)熱后的金屬鑄型中，澆鑄完成后隨爐冷卻，得到含B、Y細(xì)晶TiAl合金；所述的含B、Y細(xì)晶TiAl合金中各元素原子百分含量為43%?48%的A1、0.1%?0.4%的B、0.02%?0.2%的Y和余量的Ti。
[0008]本發(fā)明的一種含B、Y的細(xì)晶TiAl合金的制備方法按以下步驟進(jìn)行:
[0009]一、將海綿鈦、鋁錠、含元素X的物質(zhì)、硼粉和釔鋁中間合金通過(guò)金屬壓塊機(jī)壓塊成型，得到塊體；壓塊前將海綿鈦分成兩份，壓塊時(shí)自下而上各層分別為其中一份海綿鈦、鋁錠、含元素X的物質(zhì)、硼粉、釔鋁中間合金和另一份海綿鈦；所述的含元素X的物質(zhì)為鋁鈮中間合金、鋁釩中間合金、鋁鉬中間合金、鎢粉、金屬鐵和金屬鉻中的一種或幾種，且所述的含元素X的物質(zhì)中元素X為非鋁元素；
[0010]二、將步驟一得到的塊體放入到水冷銅坩禍感應(yīng)熔煉爐中，然后將水冷銅坩禍真空感應(yīng)恪煉爐抽真空至1.0X10 3mbar?3.0X10 3mbar，再以10kW/min?15kW/min的速率將熔煉功率升至85kW?90kW，然后在85kW?90kW的恒定功率下熔煉300s?360s，得到熔體；
[0011]三、先將金屬鑄型預(yù)熱至溫度為300°C?400°C，然后將步驟二得到的熔體澆鑄到預(yù)熱后的金屬鑄型中，澆鑄完成后隨爐冷卻，得到含B、Y細(xì)晶TiAl合金；所述的含B、Y細(xì)晶TiAl合金中各元素原子百分含量為43 %?48 %的A1、0.01 %?9 %的合金元素X、0.1 %?0.4%的Β、0.02%?0.2%的Y和余量的Ti。
[0012]本發(fā)明有益效果
[0013]本發(fā)明是在合金熔煉過(guò)程中加入低于細(xì)化閾值的硼元素和微量的釔元素，在不過(guò)多引入第二相粒子的情況下細(xì)化組織，有利于提高了材料的拉伸強(qiáng)度和延伸率。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:所獲得的片層團(tuán)組織尺寸細(xì)小，提高了 TiAl合金的使用性能，增大TiAl合金的利用率，降低鑄態(tài)合金應(yīng)用前的機(jī)械加工成本。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為對(duì)照試驗(yàn)一得到的T1-45Al-5Nb合金的SEM照片；
[0016]圖2為對(duì)照試驗(yàn)二得到的T1-45Al-5Nb-0.2B合金的SEM照片；
[0017]圖3為試驗(yàn)一得到的T1-45Al-5Nb-0.2B-0.1Y合金的SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0018]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種含B、Y的細(xì)晶TiAl合金的制備方法按以下步驟進(jìn)行
[0019]一、將海綿鈦、鋁錠、硼粉和釔鋁中間合金通過(guò)金屬壓塊機(jī)壓塊成型，得到塊體；壓塊前將海綿鈦分成兩份，壓塊時(shí)自下而上各層分別為其中一份海綿鈦、鋁錠、硼粉、釔鋁中間合金和另一份海綿鈦；
[0020]二、將步驟一得到的塊體放入到水冷銅坩禍感應(yīng)熔煉爐中，然后將水冷銅坩禍真空感應(yīng)恪煉爐抽真空至1.0X10 3mbar?3.0X10 3mbar，再以10kW/min?15kW/min的速率將熔煉功率升至85kW?90kW，然后在85kW?90kW的恒定功率下熔煉300s?360s，得到熔體；
[0021]三、先將金屬鑄型預(yù)熱至溫度為300°C?400°C，然后將步驟二得到的熔體澆鑄到預(yù)熱后的金屬鑄型中，澆鑄完成后隨爐冷卻，得到含B、Y細(xì)晶TiAl合金；所述的含B、Y細(xì)晶TiAl合金中各元素原子百分含量為43%?48%的A1、0.1%?0.4%的B、0.02%?0.2%的Y和余量的Ti。
[0022]本實(shí)施方式是在合金熔煉過(guò)程中加入低于細(xì)化閾值的硼元素和微量的釔元素，在不過(guò)多引入第二相粒子的情況下細(xì)化組織，有利于提高了材料的拉伸強(qiáng)度和延伸率。
[0023]本實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于:所獲得的片層團(tuán)組織尺寸細(xì)小，提高了 TiAl合金的使用性能，增大TiAl合金的利用率，降低鑄態(tài)合金應(yīng)用前的機(jī)械加工成本。
[0024]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:步驟一中所述的海綿鈦的質(zhì)量純度為99.7%，所述的鋁錠的質(zhì)量純度為99.99%，所述的硼粉的質(zhì)量純度為99.99%，所述的釔鋁中間合金的質(zhì)量純度為99.99%。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:步驟二中將步驟一得到的塊體放入到水冷銅坩禍感應(yīng)熔煉爐中，然后將水冷銅坩禍真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至1.8 X 10 3mbar。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:步驟三中先將金屬鑄型預(yù)熱至溫度為350°C。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式的一種含B、Y的細(xì)晶TiAl合金的制備方法按以下步驟進(jìn)行:
[0028]一、將海綿鈦、鋁錠、含元素X的物質(zhì)、硼粉和釔鋁中間合金通過(guò)金屬壓塊機(jī)壓塊成型，得到塊體；壓塊前將海綿鈦分成兩份，壓塊時(shí)自下而上各層分別為其中一份海綿鈦、鋁錠、含元素X的物質(zhì)、硼粉、釔鋁中間合金和另一份海綿鈦；所述的含元素X的物質(zhì)為鋁鈮中間合金、鋁釩中間合金、鋁鉬中間合金、鎢粉、金屬鐵和金屬鉻中的一種或幾種，且所述的含元素X的物質(zhì)中元素X為非鋁元素；
[0029]二、將步驟一得到的塊體放入到水冷銅坩禍感應(yīng)熔煉爐中，然后將水冷銅坩禍真空感應(yīng)恪煉爐抽真空至1.0X10 3mbar?3.0X10 3mbar，再以10kW/min?15kW/min的速率將熔煉功率升至85kW?90kW，然后在85kW?90kW的恒定功率下熔煉300s?360s，得到熔體；
[0030]三、先將金屬鑄型預(yù)熱至溫度為300°C?400°C，然后將步驟二得到的熔體澆鑄到預(yù)熱后的金屬鑄型中，澆鑄完成后隨爐冷卻，得到含B、Y細(xì)晶TiAl合金；所述的含B、Y細(xì)晶TiAl合金中各元素原子百分含量為43 %?48 %的A1、0.01 %?9 %的合金元素X、0.1 %?
0.4%的Β、0.02%?0.2%的Y和余量的T1
[0031]本實(shí)施方式是在合金熔煉過(guò)程中加入低于細(xì)化閾值的硼元素和微量的釔元素，在不過(guò)多引入第二相粒子的情況下細(xì)化組織，有利于提高了材料的拉伸強(qiáng)度和延伸率。
[0032]本實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于:所獲得的片層團(tuán)組織尺寸細(xì)小，提高了 TiAl合金的使用性能，增大TiAl合金的利用率，降低鑄態(tài)合金應(yīng)用前的機(jī)械加工成本。
[0033]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五不同的是:步驟一中所述的海綿鈦的質(zhì)量純度為99.7%，所述的鋁錠的質(zhì)量純度為99.99%，所述的硼粉的質(zhì)量純度為99.99%，所述的釔鋁中間合金的質(zhì)量純度為99.99%。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】五相同。
[0034]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五或六不同的是:步驟一中所述的鋁鈮中間合金的質(zhì)量純度為99.8%，所述的鋁釩中間合金的質(zhì)量純度為99.4%，所述的鋁鉬中間合金的質(zhì)量純度為99.2%，所述的鎢粉的質(zhì)量純度為99.9 %，所述的金屬鐵的質(zhì)量純度為99.9%，所述的金屬鉻的質(zhì)量純度為99.9%。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】五或六相同。
[0035]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五至七之一不同的是:步驟二中將步驟一得到的塊體放入到水冷銅坩禍感應(yīng)熔煉爐中，然后將水冷銅坩禍真空感應(yīng)熔煉爐抽真空至1.8X 10 3mbar。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】五至七之一相同。
[0036]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】五至八之一不同的是:步驟三中先將金屬鑄型預(yù)熱至溫度為350°C。其他步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】五至八之一相同。
[0037]采用以下試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果
[0038]試驗(yàn)一、本試驗(yàn)的一種含B、Y的細(xì)晶TiAl合金的制備方法按以下步驟進(jìn)行:
[0039]一、將海綿鈦、鋁錠、鋁鈮中間合金、硼粉和釔鋁中間合金通過(guò)金屬壓塊機(jī)壓塊成型，得到塊體；