[发明专利]一种含钽的钛铝基合金铸锭及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钛铝基合金材料技术领域，具体涉及一种含钽的钛铝基合金铸锭及其制备方法。

背景技术

γ-TiAl基合金是一种新型的金属化合物结构材料，具有高比强度、比模量，抗蠕变性及优良的高温强度、刚度及低密度等特点，成为一类在航空航天及汽车领域很有发展前景的高温结构材料。随着原来阻碍其投入实际应用的低的室温延性和难热加工成型性两大障碍逐渐得到解决，而在800℃以上长期使用时γ-TiAl基合金抗氧化性能不足的问题显得更为严重，这是由于γ-TiAl基铸锭试样表面不能形成致密的Al₂O₃，并且氧化层和基体之间形成的Ti₃Al相由于浓度梯度形成的化学势作用，其内的Ti原子会越过Al₂O₃层扩散，在最外层形成了疏松的TiO₂。

国内外的科研工作者在提高γ-TiAl基合金的长期高温抗氧化性方面做了大量的研究。研究表明，添加合金元素是简单而又有效的方法。在γ-TiAl基合金中添加Nb，Hf，Zr，Cr或W均能够增加其抗氧化性。特别是在γ-TiAl基合金中添加Nb，能够使其高温抗氧化性较大幅度地增加，而Nb能提高合金的氧化抗力主要由是增加了Al的活性，由此形成了连续的Al₂O₃保护层。Nb⁺⁵替代TiO₂中的Ti⁺⁴，会降低阴离子空位浓度，改善TiO₂的保护能力。

本发明经大量研究发现，Ta能够使γ-TiAl基合金的高温抗氧化性能得到显著提高，这是由于元素周期表中的Ta与Nb位置接近，又因为Ta本身的扩散系数比Nb低，能有效地控制氧化速率，从而达到良好的抗氧化效果。然而Ta本身属于高熔点元素，而钛铝基合金中Al的熔点较低，利用传统的配料和熔炼工艺将Ta加入钛铝基合金中，会因熔炼电流不易控而导致合金铸锭中形成不熔块，最终难以获得均质铸锭。因此鲜有研究人员在γ-TiAl基合金添加Ta，而含有Ta的钛铝基合金材料尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种含钽的钛铝基合金铸锭。该含钽的钛铝基合金铸锭组织均匀，无气孔、夹杂、不熔块存在，并且具有优异的抗氧化性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al45%～48%，Ta2%～3%，Cr1%～2%，W0.1%～0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al47%，Ta2%，Cr1.6%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al46.5%，Ta3%，Cr2%，W0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质。

上述的一种含钽的钛铝基合金铸锭，其特征在于，由以下原子百分比的成分组成：Al46%，Ta2.5%，Cr1.2%，W0.15%，余量为Ti和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述含钽的钛铝基合金铸锭的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将钽粉和钛粉按质量比1∶1～2投入混料机中混料，得到混合粉料；

步骤二、将Al-W中间合金颗粒、金属铬颗粒和步骤一中所述混合粉料混合均匀后均分为3份，然后分别用铝箔进行包覆，制成第一合金包、第二合金包和第三合金包；

步骤三、将海绵钛颗粒和铝豆混合均匀得到混合粒料，然后将混合粒料均分为3份；3份所述混合粒料分别为第一混合粒料、第二混合粒料和第三混合粒料；

步骤四、将步骤三中所述第一混合粒料放入压制模具的成型腔中，然后将第一合金包和第二合金包置于第一混合粒料的上部，再将第二混合粒料放入所述成型腔中，将第三合金包置于第二混合粒料的上部，之后往所述成型腔中加入第三混合粒料组成坯料，最后将装有坯料的压制模具放入油压机中，在压强为10MPa～15MPa的条件下对坯料进行压制成型，得到合金块；

步骤五、将多个步骤四中所述合金块置于氩弧焊箱中进行氩弧焊接，得到熔炼电极；

步骤六、将步骤五中所述熔炼电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa的条件下进行三次真空自耗电弧熔炼，自然冷却后得到含钽的钛铝基合金铸锭。