[发明专利]一种复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件

说明书

本发明属于合金制备技术领域，尤其涉及一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件。具体步骤为：将金属原料按原子比熔炼制成合金母锭；根据构件形状要求制备铸型；将切割后的合金母锭固定于铸型内并放入电磁冷坩埚腔体内，铸型下端浸入液态金属冷却液；将定向凝固装置抽真空后返充氩气；利用电磁感应将合金母锭加热至熔化后在一定温度下以一定速度向下抽拉铸型，当抽拉距离达到要求时，停止抽拉和加热，降温后即得定向凝固合金构件。本发明在满足合金构件形状要求的同时，能够降低铸型与高活性合金熔体的反应，减少铸型的污染；改善合金构件的显微组织，显著提升TiAl基合金构件的力学性能。

技术领域

本发明属于合金制备技术领域，尤其涉及一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件。

背景技术

TiAl基合金具有轻质、高比强度、耐磨、耐高温、优异的抗氧化性和抗蠕变性能，在航空航天工业、交通运输行业等领域工程化应用前景良好。但其存在室温延性低、室温加工性能差等缺点极大地限制了其在实际生产的应用。为了改善TiAl基合金的室温塑性，发挥其高温使用性能的优势，众多学者主要从控制合金成分和改进成型工艺两个方面进行研究。

定向凝固技术的应用是TiAl基合金成型工艺一大进步，通过消除组织中与承载方向垂直的横向晶界，使全片层最佳性能取向与载荷方向保持一致，从而提高合金在承载方向上的塑性和断裂韧性等力学性能。由于TiAl基合金的高熔点及高温活性的限制，目前TiAl基合金定向凝固铸锭主要采用Bridgman定向凝固、光/电磁浮区定向凝固和冷坩埚定向凝固三种方法制备。

含有陶瓷铸型法是目前一种既可以控制组织又能满足形状要求的定向工艺。因此，它的应用和发展对TiAl基合金的工程化具有重要意义。然而，由于TiAl基合金熔体的高活性，会与铸型发生反应从而影响定向凝固合金的组织和性能。同时，不可避免的反应会导致定向凝固过程对铸型质量严苛的要求，并损害合金室温性能。目前常用的感应石墨电阻加热定向凝固技术具有加热周期长，铸型温度高及铸型和合金熔体之间的反应剧烈等缺点。这些缺点会损害定向试样的室温性能，特别是室温塑性。因此，研发一种加热迅速，低反应的定向凝固技术显得尤为迫切。

发明内容

为解决合金定向凝固过程中铸型和合金熔体之间反应剧烈的问题，本发明提供了一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法及其制备的TiAl基合金构件。

本发明的技术方案：

一种用于高活性TiAl基合金的复合冷坩埚定向凝固方法，步骤如下：

步骤一、将金属原料按一定原子比进行熔炼，制成合金母锭待用；

步骤二、采用溶胶粘结剂法根据合金构件形状制备铸型待用；

步骤三、将步骤一得到的合金母锭切割后固定放置于步骤二制备的铸型内，将合金母锭和铸型放入定向凝固装置的电磁冷坩埚腔体内，其中铸型的下端浸入液态金属Ga-In冷却液中；

步骤四、将定向凝固装置抽真空后返充氩气；

步骤五、对电磁冷坩埚内的合金母锭进行电磁感应加热，使合金母锭熔化后保温一定时间；在一定温度下以一定速度向下抽拉铸型，当抽拉距离达到长度要求时，停止抽拉和加热，降温后即得定向凝固合金构件。

进一步的，步骤一所述熔炼采用电磁冷坩埚感应熔炼炉进行，具体步骤如下：

(一)按一定原子比准备如下金属原料：质量纯度均为99.99wt.％的高纯Ti和Al，质量纯度为99.98wt.％的纯Cr和Nb质量浓度为60wt.％的Al–Nb中间合金；