[发明专利]一步炉内自蔓延生产公斤级γ-TiAlNb合金的防爆方法及装置

说明书

一种一步炉内自蔓延生产公斤级γ‑TiAlNb合金的防爆方法及装置，该防爆方法是原料在加热区加热到自蔓延临界反应发生时，根据反应釜上表面实测温度、加热区内环境温度、反应釜底部温度及相互间温差和温升速率为判断依据，依次进入缓冷区自蔓延，深冷区完全反应，加热区补热，缓冷区最终冷却，得到公斤级渣包覆的γ‑TiAlNb合金。采用的防爆装置中，加热区用于提供引发γ‑TiAlNb合金自蔓延反应的热量和渣金分离过程的补热量；缓冷区位于加热区下方，用于自蔓延反应发生后的维持阶段及最终冷却得到合金阶段，深冷区位于缓冷区下方，为自蔓延主反应区，用于带走反应热，限制自蔓延的剧烈进行，起到防爆作用，保证合金制备及生产装置的安全性。

技术领域

本发明属于钛铝铌三元合金材料技术领域，具体涉及一步炉内自蔓延生产公斤级γ-TiAlNb合金的防爆方法及装置。

背景技术

发动机作为飞机的“心脏”，其可靠性和安全性十分重要，能够代表一个国际的科技水平和综合国力，但是目前航空发动机的性能提高后，其内部环境温度的逐渐提升，飞机推重比加大，通常用于航空发动机叶片上的镍基合金已无法满足实际需求。目前国际上处于研究前沿的即为具有低密度、高比强度、强抗氧化能力及高温下良好的蠕变性能的γ-TiAl合金材料，但由于其热加工能力较差，室温延展性通常约为1％，极大限制了γ-TiAl合金的实际应用。此外，飞机尤其是战斗机的紧固件、涡轮盘、尾翼等近百余部件的特殊使用需求，也需要采用超轻超强耐高温耐腐蚀的的钛铝基合金材料，而我国的军工生产用钛铝基合金通常从美国、瑞典、德国等进口，自主生产大尺度高纯的伽马钛铝基合金是我国高精技术领域的一项“卡脖子”问题。由于γ-TiAl二元合金脆性大、难加工，添加微量的第三元素Nb可以显著改善钛铝基合金的脆性。因此，开发一种高效的绿色的安全的公斤级伽马钛铝铌三元合金制备方案，是解决我国“卡脖子”问题至关重要的一步。

目前钛铝基合金制备技术主要有铸锭冶金、精密铸造及自蔓延高温合成(SHS)等。铸锭冶金方法易于制备大尺寸结构件，但由于TiAl基合金主要元素的熔点、密度及非平衡凝固偏析系数相差较大，并且，第三组元在钛铝合金中的难于均质化固溶。因此铸锭冶金方法制备的TiAl基合金通常组织粗大，成分偏析严重，严重时甚至会导致铸锭的开裂，难以达到预期的性能要求。此外铸锭冶金加工步骤多、加工过程复杂，导致了制备过程的成本较高，仍无法进行大规模生产。精密铸造技术相对成熟，易于制造形状及结构较为简单的零部件，其成本主要包含铸造工艺、热等静压、电化学加工及机加工几个部分，但铸造过程中凝固时间较短，很容易在合金内部形成大量气孔降低合金的疲劳强度。另外，铸造类方法用于钛铝基合金生产，由于钛元素与坩埚会发生反应，难以生产高纯的钛铝基合金。

相比于上述两种方法，自蔓延高温合成技术优势明显，是一种利用物质反应热的自传导，在极短时间内形成高温瞬变场，实现化学反应的高效转化，由于反应过程升温及降温过程的迅速发生，因此制备的TiAl基合金组织均匀细小，变形加工能力较好，易于制造不同形状的零件，有效解决了难于加工成型的问题。但目前自蔓延高温合成技术依旧局限于反应发生于炉外，且需要额外点火促进反应的发生，从而导致合金含氧量过高，杂质较多，合金收益率较低，大量的反应热浪费且无法实现连续化大尺度生产等问题。

综上所述，自蔓延高温合成技术是制备γ-TiAlNb目标三元合金最有前景的方法之一。目前，急需开发一种可以大尺度连续化生产并且可以充分利用自蔓延技术优势的新装置及方法，实现自蔓延反应过程的可控调节(防爆)，实现γ-TiAlNb高纯合金，特别是公斤级合金的制备。