[发明专利]一种高铌钛铝金属间化合物的无污染定向凝固方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高熔点高活性合金的高铌钛铝合金的定向凝固方法，属于高铌钛铝金属间化合物材料技术领域。

背景技术

为了改善TiAl系合金的室温塑性和高温抗氧化性能，人们开展了大量的研究，其中最引人注目的是在TiAl或Ti₃Al中添加高含量、高熔点的过渡族元素Nb，Nb元素的加入是提高TiAl系合金的室温塑性和高温抗氧化性能的最有效的手段之一。因为Nb的加入量不是微量的，所以将其命名为高铌钛铝基合金(或称为高温钛铝基合金，铌的质量百分含量为6％以上)。通过添加高熔点的合金化元素Nb能有效提高合金的熔点及有序化温度，使高铌钛铝基合金的使用温度达到900℃以上，同时具有良好的抗氧化性能，又发挥了钛铝基合金密度小、晶体结构简单和易于控制显微组织而改善性能的优点。由于难熔金属Nb元素的加入，使得高铌钛铝基合金熔点比普通钛铝合金提高了60～100℃，同时也提高了其高温抗氧化性。但是Nb的加入带来优越高温性能的同时，也增加了高铌钛铝基合金制备的难度，因为合金熔点的提高必然带来熔炼温度和热加工温度的提高，在熔炼过程中，容易导致低熔点元素的挥发和合金液的挥发，从而影响合金收得率。传统的熔炼方法包括感应熔炼、真空自耗重熔、等离子熔炼3种主要熔炼工艺。采用感应熔炼工艺，虽然合金成分相对比较均匀，但由于高铌TiAl合金的高熔点使得浇注温度很高，铸锭经常出现宏观缩孔和疏松，无法进行后续加工；而真空自耗重熔和等离子熔炼在凝固过程中不存在疏松，但合金在凝固过程中，高熔点Nb来不及扩散均匀，合金出现Nb的严重偏析，导致铸态组织不均匀，影响合金的力学性能。为了进一步获取最佳性能，充分挖掘高铌钛铝基合金的潜力，改进及调整合金组织是合金工程应用的关键，所以对高铌钛铝基合金的微观组织调控是非常必要的。组织调控技术是改善高铌钛铝合金在某一下方向性能的重要手段，但是目前定向凝固高铌钛铝合金锭的制备主要是在直径为5-15mm左右的陶瓷(刚玉或者三氧化二铝)管进行，陶瓷管易对高铌钛铝合金产生污染，以致最后影响高铌钛铝合金的性能。现有的组织调控技术由采用陶瓷(刚玉或三氧化二铝)管不但尺寸较小(≤15mm)，横截面形状都是圆形，更重要的是，由于高铌钛铝合金熔点过高而使其过热度不够，影响合金的性能。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术中对高铌钛铝合金进行组织调控主要是在陶瓷管中进行，陶瓷管对高铌钛铝合金产生污染，导致高铌钛铝合金性能降低的问题，还为了解决现有技术存在在熔化高铌钛铝合金时过热度不够，以致影响高铌钛铝合金的性能的问题，进而提供了一种高铌钛铝金属间化合物的无污染定向凝固方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述的高铌钛铝金属间化合物的无污染定向凝固方法是通过以下步骤实现的：

A、电磁感应加热过程：

步骤A1、高铌钛铝合金底座的上端面设置在距电磁紫铜坩埚的上端面53mm～55mm处，将原料棒通过送料杆挂在电磁紫铜坩埚上方，且伸入坩埚内部43～45mm；

步骤A2、利用真空泵将置有电磁紫铜坩埚的真空室抽真空，使真空室的真空度为0.8Pa～1.0Pa；

步骤A3、向真空室充入350～400Pa的氩气；

步骤A4、向电磁紫铜坩埚上的感应线圈通入单相交流电，初始电源功率为45KW～50KW，通过感应线圈使电磁紫铜坩埚内的高铌钛铝合金底座的上段和原料棒的下端感应加热并完全熔化，不断增大感应线圈功率使熔体过热度达至30至50℃；

B、电磁约束步骤：

步骤B1、启动位移电机驱动拉杆以1.8mm/min～2mm/min的速度向下移动3mm，同时启动送料电机，使原料棒以2.5mm/min～3mm/min的速度连续不断的向电磁紫铜坩埚内运动；

步骤B2、高频磁场将原料棒下端感应熔化，并形成熔体驼峰，通过螺杆和拉杆速度来控制驼峰高度达到13至18mm；

步骤C、柱状晶生长步骤：

步骤C1、同时电磁紫铜坩埚下面的冷却器为新凝固的高铌钛铝提供强冷，使熔化高铌钛铝合金形成具有定向凝固组织的柱状晶，待高铌钛铝合金底座向下移动130mm～150mm后，即为所需长度的柱状高铌钛铝合金锭；

步骤C2、使柱状高铌钛铝合金锭的外层有1.3mm～1.5mm的多晶层，外层内部为平行于拉杆方向的柱状晶，定向凝固组织的柱状晶连续生长，宽度为1～1.5mm；将多晶层加工去除后即为具有定向凝固高铌钛铝合金锭，即获得高铌钛铝合金定向凝固组织。