[发明专利]一种大规格高Nb-TiAl合金铸锭的制备方法

说明书

一种大规格高Nb‑TiAl合金铸锭的制备方法，获得的合金铸锭成分更加均匀、可控，纯度更高，合金铸锭中合金元素Al和Nb总含量更高，提高了高Nb‑TiAl合金铸锭作为航空材料的安全性，适用于制造航空发动机转动部件；所得合金铸锭的化学成分重量百分比为Al：27～30％，Nb：13～20％，W+B+Y＝0～1％，O≤0.08％，N≤0.08％，余量为Ti及不可避免的杂质；所得合金铸锭尺寸大型化，重量可达吨级，形态多样化可以为圆锭或扁锭，圆锭直径为250～660mm，长度≥500mm；扁锭厚200～350mm，宽700～1200mm，长度≥1000mm。

技术领域

本发明涉及有色金属熔炼技术领域，具体涉及一种大规格高Nb-TiAl合金铸锭的制备方法。

背景技术

TiAl金属间化合物(也称TiAl合金)具有低密度(减重效果可达40～50％左右)、高强度、高模量、高蠕变抗力、抗燃烧等优异性能，低密度和高模量TiAl金属间化合物叶片的自振频率高于高温合金，有利于避免叶片因共振失效。该类合金基本可采用传统工艺进行制备，成为高温钛合金使用温度上限和高温合金使用温度下限区间减重的唯一候选材料，美国采用铸造TiAl合金应用于最新的波音787民用飞机的GEnx发动机，作低压涡轮后第6级和第7级叶片，单个发动机减轻重量约200磅。而且国内外TiAl金属间化合物的研究热点集中在发展更高使用温度的合金上。

高Nb-TiAl合金体系是由北京科技大学以陈国良院士为首的研究组提出，通过研制认为高Nb合金化是提高TiAl金属间化合物使用温度的最佳途径，在此基础上发展的有我国自主知识产权的高温高Nb-TiAl合金，比普通TiAl合金使用温度高60-100℃、强度高300～500MPa，其合金材料高温抗氧化性能已达到涡轮盘用镍基高温合金的控制水平。高Nb合金化被TiAl合金研究领域国际权威Y-W Kim教授肯定为发展高温高性能TiAl合金的“首例”，从此高Nb-TiAl合金受到国际上广泛关注，美、日、英、德均随后开展研究，并且把它作为TiAl合金中的研究重点，认为是最有希望的新一代高温高性能TiAl合金。国内外研究者大力推进高Nb含量的高温TiAl合金的成分、组织、性能、制备工艺和应用技术研究。

TiAl合金易生成脆性相且成分范围窄，因为冶金质量是决定其能否作为结构材料在航空航天领域应用的关键。TiAl合金中各组元熔点、平衡蒸气压及非平衡凝固偏析系数差异较大，导致铸锭中常产生成分偏析，尤其是含量较高的Al元素，一般都存在至少2％(原子分数)的偏析，且铸锭规格越大，这种宏观偏析现象越严重。

在TiAl合金的制备和加工技术方面，国外目前最常用的技术是等离子冷床炉熔炼和真空自耗熔炼相结合，然而普通真空自耗熔炼工艺无法制备大直径TiAl合金锭，因为TiAl合金自耗电极起弧后受热应力作用易发生开裂，且认为真空自耗熔炼TiAl合金锭直径不能大于280mm。国内科研院所使用实验室等离子冷床炉熔炼出重量为67kg、直径Ф150*900mm高Nb-TiAl合金锭，但铸锭尺寸和成分组织均匀性都还不能满足要求。

另外，国内外研究工作及经过多年的实践表明，冷床炉熔炼已成为优质钛合金、高温合金及TiAl系列金属间化合物产品的理想冶炼技术，并被认为是去除低密度“硬α夹杂”和高密度夹杂最有效的手段，例如中国专利CN200910023092.4、CN200810150329.0、CN201210500156.7，主要由以下几点决定：

第一，等离子冷床炉熔炼其热源温度非常高(理论可达6000℃)、保护氛围可有效降低炉内气氛中氮气分压，当等离子弧对料块进行扫描时，能直接融化钛及钛合金中的“硬α夹杂”(主要成分是TiN)和高密度夹杂(W、Mo、Nb等)。

第二，等离子炉的保护气氛可有效降低炉内气氛中氮气的分压，为低密度“硬α夹杂”分解提供了有利的热力学条件。