[发明专利]一种钛铝铌合金片层组织方向控制方法

说明书

技术领域

本发明属于高温合金组织控制研究技术领域，涉及一种钛铝铌合金片层组织方向控制方法。 

背景技术

包晶合金是应用非常广泛的工程合金，许多重要的工程材料在制备时都存在着包晶反应，因此引起了研究者的极大关注。钛铝合金作为一种典型的包晶合金，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。高铌含量的钛铝合金因其具有更优异的高温性能、抗氧化性能和抗蠕变性能而受到广泛的关注，它是最有工程应用前景的钛铝合金。 

钛铝基合金虽具有较多优异的性能，但这类材料具有本质脆性，一般难以加工，阻碍了其实用化。许多学者试图通过获取钛铝合金的定向凝固组织，使其最佳取向性能与承载方向一致，获取好的综合力学性能。定向凝固（directional solidification-DS）技术是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，达到控制凝固过程及凝固路径，并控制晶体取向，消除横向晶界，获得柱状晶组织或特定的片层方向的目的，从而提高其断裂韧性、蠕变强度、塑性等其它力学性能。定向凝固钛铝合金有望取代定向凝固镍基高温合金，成为航空发动机叶片的理想候选材料。对定向凝固钛铝合金片层显微组织的控制已成为国内外研究热点。 

目前国内外研究者主要是通过籽晶法来控制定向凝固钛铝合金片层组织方向的，这种方法可以获取片层取向与生长方向一致的多孪晶合成晶体（PST）。籽晶法首先选择先凝固相为α相的钛铝母合金制备籽晶。当先凝固相为α相时，定向凝固后的片层组织择优方向垂直于生长方向，Johnson D R在ActaMaterialia, 45(6)：2523-2533，1997，Alignment of the TiAl/Ti3Al lamellar microstructure in TiAlalloys by growth from a seed material中通过切取籽晶块并旋转90°后进行籽晶定向凝固，并控制高的温度梯度G和适当抽拉速度V，使高温α相以平面形态继续生长从而获得了PST晶体。这种方法的缺陷在于制备工艺复杂，籽晶成分通常与母合金成分存在差异导致定向凝固合金的成分和性能不均匀。近年来，由于先凝固β相多元钛铝合金系工程化应用的发展，国内外研究者迫切想通过非籽晶法直接控制钛铝合金定向凝固过程来达到控制片层组织方向的目的。 

作为包晶合金的钛铝合金在定向凝固过程中，当初生相为β相时，在G/V比率较低的情况下，初生β相会以枝晶形貌生长。包晶α相首先通过包晶反应在液相与β相的界面上形核并长大，继而包围β相阻隔其与液相的接触，然后α相向内消耗β相，向外消耗液相而成长，这就是包晶相变，初生β相通常只有部分通过包晶转变形成包晶相α，剩余的β发生固态转变β→α。Dobler S等在ActaMaterialia, 52(9): 2795-2808，2004，Peritectic coupled growth中指出，在固态转变β→α过程中，同一个位向的β枝晶内部可产生多个不同位向的α变体。而在全片层钛铝合金中片层α2和γ从高温α 相中析出，所以在包晶反应过程中，如果能使初生β相全部转变为包晶α相，就可能会消除不同方向的α变体的产生，就能控制其片层方向。 

因此，通过定向凝固技术使钛铝铌合金发生完全包晶反应，以获得性能优越的片层组织，是直接控制钛铝合金定向凝固片层取向的新方法，对提高钛铝合金的性能具有非常重要的意义，促进了定向凝固钛铝合金的工业化应用。 

发明内容

本发明的目的在于通过改变定向凝固条件，提供一种利用完全包晶转变有效控制钛铝铌合金片层组织方向的方法。具体是一种钛铝铌合金片层组织方向控制方法，采用钛铝铌合金原子百分比为（46-53）Ti-（45-46）Al-（2-8）Nb，用普通的Bridgman定向凝固系统进行钛铝铌合金片层组织方向控制，通过改变凝固条件包括温度梯度G和抽拉速度V促使钛铝铌合金发生完全包晶反应，使得初生β相枝晶在凝固过程中被完全溶解，消除其对合金组织可能带来的不利影响从而达到了控制合金片层取向的目的。 

本发明是将原子百分比为（46-53）Ti-（45-46）Al-（2-8）Nb成分的原材料进行熔炼，形成母合金锭，然后切割成圆柱形合金棒试样用Bridgman定向凝固系统进行定向凝固，具体方法如下：