[发明专利]一种定向凝固高铌钛铝基合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种高铌钛铝基合金定向凝固的制备方法。

技术背景

钛铝基合金具有轻质、高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性等优点，并具有优异的常温和高温力学性能，使用温度可达到700-900℃，是航空、航天工业、兵器工业以及民用工业等领域的优秀候选高温结构材料之一。以高铌含量为特征的高温钛铝基合金除了上述优点外，其高温力学性能、抗蠕变性能及氧化性能显著高于普通钛铝基合金，提高了其使用温度比普通钛铝基合金高60-100℃。高铌钛铝基合金的研究已经成为国内外高温钛铝基合金发展的趋势。

由于钛铝基合金的本质脆性，室温塑性和热加工性能差一直是阻碍其工业化应用的主要原因。通常采用两种的方法来改善钛铝基合金的微观组织，进而发挥其性能潜力：一种是用热机械处理减小片层晶粒的尺寸，此方法在热加工过程中不仅消耗大量能源，还容易出现裂纹，得到最大室温塑性也很有限(1～2％)；另一种是采用定向凝固方法，通过利用凝固时热传导方向的控制，在凝固金属与未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，达到控制晶体取向，消除横向晶界，获得材料的最佳取向性能以满足工业应用的需要。通常对某些转动部件而言，发挥钛铝基合金的最佳取向性能与承载方向一致，是发挥材料性能优势的最佳选择。定向凝固技术能极大提高钛铝基合金的断裂韧性、蠕变强度、室温塑性等性能，为钛铝基合金的扩大应用开辟了一条新道路，为今后的钛铝基合金定向凝固产品的深加工和应用提供了更广阔的应用前景。

钛铝基合金，尤其是高铌钛铝基合金熔点较高(接近1910K)，且合金中钛元素为高活性元素，在传统定向凝固过程中会与绝大部分常用坩埚材质，如氧化铝、氧化锆、石墨等发生反应，导致定向凝固合金中掺入杂质，并改变了合金的成分，而使合金定向凝固后组织及性能发生较大偏差，而国外此类研究中所广泛使用的氧化钇材质的坩埚在国内由于各种原因还未投入商业生产。为了避开杂质的影响，近年来，冷坩埚定向凝固、浮区定向凝固包括电子束浮区、光加热浮区等各种新型定向凝固设备相继投入研究应用。然而这些设备在定向凝固过程中熔区的稳定性和均匀性很难控制，此类设备不仅造价昂贵，且大部分依靠进口。

高熔点高含量铌的加入，使得高铌钛铝合金的熔点比普通的钛铝基合金有较大提高。电磁加热的定向凝固合金凝固过程会受电磁场的干扰，而目前常用的定向凝固电阻炉又很难长期在温度保持在高于1900K的条件下工作，电阻在高热时易氧化、变形造成效率下降，极大降低了其寿命。加热装置及坩埚的改进促进高铌钛铝基合金定向凝固的顺利进行。本发明中利用现有的区熔与定向凝固系统并进行改造，同时使用了自制的涂层坩埚，并实现了无电磁场干扰下的高铌钛铝基合金定向凝固。

近些年来，对钛铝基合金的定向凝固技术方法的研究逐步得到重视，欧美、日本等国家的部分研究单位自上世纪90年代以来，不断发表有关钛铝基合金定向凝固的研究成果，H.N.Lee在Acta mater，48：3221-3233，2000，Microstructural control through seeding and directionalsolidification of TiAl alloys containing Mo and C中将钛铝基合金的室温拉伸性能提高到2～4％，相比较铸态而言，塑性有一定的增加，但增加的幅度还有待进一步提高，室温强度和高温性能也存在着不足。国外在普通钛铝基合金小尺寸定向凝固试样的制备方面集中开展了一定研究工作，主要运用了光悬浮定向凝固技术以及氧化钇坩埚，探索了钛铝包晶反应凝固途径对组成相生长形态和取向的影响，但对于高铌含量钛铝基合金的定向凝固还没有研究过。因此，在现有的设备与坩埚技术条件下，开发出具有更高使用温度，更好的高温性能及高温抗氧化性能的高铌钛铝基合金定向凝固制备方法具有非常重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高熔点高活性的高铌钛铝基合金无磁场作用下的定向凝固方法。通过改进区熔定向凝固系统和运用特制涂层坩埚，成功进行了该合金的定向凝固，获得的定向凝固高铌钛铝合金具有非常好的表面质量和纯净度。该加工工艺简单可靠，温度控制准确，定向凝固效果显著。

一种定向凝固高铌钛铝基合金的制备方法，合金材料成分(原子百分比)为：(43-49)Ti-(45-46)Al-(6-9)Nb-(0-0.5)(W、Mn)-(0-0.5)(C、B)-(0-0.5)Y其工艺为：

(1)母合金熔炼：用等离子电弧或真空感应悬浮炉进行熔炼，并浇铸成锭；