[发明专利]一种片层取向完全可控的TiAl单晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属间化合物材料技术领域，具体涉及一种片层取向完全可控的TiAl单晶合金及其制备方法。

背景技术

TiAl金属间化合物是一种新型轻质高温结构材料，其比重不到镍基高温合金的50％，具有高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性和抗蠕变等优点，是替代Ni基高温合金的理想材料。

全片层组织TiAl合金的力学性能与其片层取向有着密切的关系。通过对具有单一取向的全片层多孪晶晶体PST(Polysynthetic twinned crystal)的研究，发现其强度与塑性呈现出明显的各向异性。由于全片层组织的这种各向异性，当片层取向合适时，使其更适合于航空发动机叶片这样一些要求耐高温，而又只受一维方向载荷的服役条件。如果能将TiAl合金采用定向凝固的方法制作出全片层组织的发动机叶片，并使其片层组织取向平行于叶片的轴向(定向凝固中晶体的生长方向)，无疑是极其有利的。Yamaguchi等人系统研究了TiAl合金片层取向对力学性能的影响，发现当载荷方向与片层取向平行时，屈服强度和延伸率达到最佳组合。因此，要进一步提高TiAl合金的使用性能，就必须对最终组织的片层取向进行控制，以获得取向与载荷方向一致的TiAl金属间化合物单晶全片层组织。

目前，国内外TiAl合金片层取向的控制方法主要包括籽晶法和改变凝固路径的非籽晶法。Yamaguchi、Johnson等人通过α相凝固籽晶法，选用Ti-Al-Si系合金作为籽晶，通过缩颈选晶法得到了片层取向完全平行于生长方向的单晶PST。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，而且籽晶的制备工艺复杂。因此，籽晶法具有明显的不足。

非籽晶法中，目前国内外没有研究得到与生长方向平行的全片层TiAl单晶组织。林均品等在较低的G/V条件下，对Ti-46Al-5Nb合金采用“自籽晶法”(double directional solidification)的方法得到了与生长方向平行的全片层单晶组织。他们认为，较低的G/V工艺使β相枝晶间距在合适的条件下，可以通过全包晶反应得到与生长方向平行的单一取向的α相，而不会发生固态相变β→α生成不同位相的α变体，从而完成对片层取向的控制。这种方法需要进行两次相同工艺的定向凝固，较普通非籽晶法多一次凝固过程，加重了坩埚材料对合金的污染，对定向凝固TiAl合金的工业化不利。

之前国内外关于非籽晶法控制片层取向的研究均为改变凝固路径，不能控制单晶片层取向，而且没有得到与生长方向完全平行的单晶片层组织。为解决此技术难题，TiAl合金固态定向相变过程成为控制片层取向的关键。由相图可知，全片层组织TiAl合金凝固后还须经历β→α和α→α₂+γ的固态相变。当初生相为β相时，择优生长方向为<001>，其位相关系为：{110}_β//{0001}_α//{111}_γ^[25]，且{110}_β的12个变量中4个平行于生长方向，8个与生长方向倾斜成45°^[16,26]，经历固态相变后形成的片层组织中仅有1/3惯习面的取向平行于生长方向。显然，TiAl合金最终片层组织的取向，不仅取决于初生β相的生长方向，还取决于之后的固态相变过程。所以，β→α固态相变过程也是控制片层取向的关键。而迄今为止关于TiAl片层取向控制的研究，均集中于凝固过程，而忽视了凝固之后的固态相变过程。

因此，不但要控制凝固过程，使定向凝固初生相为β相，而且要控制TiAl合金定向固态相变过程中新相的形核长大、相界定向迁移过程，使其在定向固态相变中只保留下来与生长方向呈0°的片层取向，完成在连续定向液固相变—固态相变条件下对TiAl合金片层取向的控制。

发明内容

本发明的目的是通过控制连续定向液固相变—固态相变过程，提供一种片层取向完全可控的TiAl金属间化合物单晶及其制备方法。

一种片层取向完全可控的TiAl金属间化合物单晶，以原子百分比计，其合金成分表达式为Ti_aAl_bNb_c，其中，42≤a≤55，43≤b≤49，2≤c≤9，a+b+c＝100。

上述片层取向完全可控的TiAl金属间化合物单晶的制备，包括如下具体步骤：