[發明專利]一種碳硅鎢釔片層組織高鈮鈦鋁合金及其制備方法

無效

• 申請號: 201310037532.8
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103074536A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 李永勝;龐玉璇
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: C22C30/00
• 分類號: C22C30/00;C22C14/00;C22C1/02;C22F1/18;C22F1/02
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于高溫合金領域，特別是涉及一種添加碳硅鎢釔的片層組織高鈮鈦鋁合金及其制備方法。

技術背景

隨著航空航天、汽車等工業領域的發展，人們在追求更高效率和更高性能時通常會受到材料性能極限的制約，無法進一步滿足對材料性能的要求。因此，新型材料的開發和利用已經迫在眉睫。在高溫合金領域，高溫金屬間化合物具有低的密度、高的熔點、比強度和高溫強度以及良好的抗氧化性和抗蠕變性等優點。因此，高溫金屬間化合物的出現使人們看到了新的希望。人們希望通過對高溫金屬間化合物的研究來發掘更高效率和更高性能的潛力。因此，高溫金屬間化合物的研究已成為近年來材料科學中一個十分活躍的研究方向。

在高溫金屬間化合物中，TiAl基合金由于晶體中含有金屬鍵與共價鍵，使其有可能同時兼有金屬和陶瓷的力學性能，以及由此產生低的密度、高的剛度、比強度、比模量、高溫強度及良好的抗氧化性和抗蠕變性等優點。因此，TiAl基合金被認為是一種能代替鐵合金和鎳基合金的在航天航空及汽車等其他工業領域中極具應用潛力的高溫結構材料。

在TiAl基合金中，δ-TiA1₃基合金由于固溶范圍太窄，因此在室溫時的塑性差，難以機械加工。α₂-Ti₃A1基合金存在著結構不穩定以及在惡劣環境和循環載荷下開裂的問題。因此，目前研究焦點主要集中在γ-TiAl基合金的研究和開發上。這類合金一般含有15％的α₂-Ti₃A1，為雙相結構。因此，與α₂-Ti₃A1相比，該合金具有更低的密度、更高的強度和良好的抗氧化性。但由于該合金的室溫脆、塑性較差、高溫下抗氧化性不足等缺點，從而限制了其在實際中的廣泛應用。

目前，主要采用定向凝固的技術來改善鈦鋁合金顯微組織，獲取片層組織，使外加載荷平行于片層界面。研究表明(TiAl金屬間化合物的定向凝固和晶向控制，中國有色金屬學報，797-809，13，2003)：外加載荷平行于片層界面可以獲取最佳的強度與塑性的綜合，所以對于某些轉動部件，如發動機葉片，使受力方向平行于γ-TiAl合金片層取向，是發揮材料性能優勢的最佳選擇。因此，定向凝固技術已成為國內外對新一代金屬間化合物的研究重點，是加快擴展γ-TiAl在工業化的應用的技術手段。

當今，人們采用光學浮區法對TiAl合金進行定向凝固。該方法由于在凝固過程中的固液界面前沿具有平直的溫度場，所以是一種生長片層結構的新方法。與傳統的Bridgeman法進行定向凝固相比，該方法的主要特點是：(1)由于熔煉溫度高，所以可以生長高熔點的材料；(2)溫度梯度較高；(3)由于采用光學控制，所以凝固速率等系數控制精度較高；(4)由于生長不需要坩堝，所以有效解決了高溫鈦熔體與坩堝的反應問題，使得材料處于無污染的環境之中。

發明內容

本發明的目的在于提供一種添加碳硅鎢釔的片層組織高鈮鈦鋁合金及其制備方法，該合金能夠進一步細化晶粒、提高強度、硬度，且具有良好的抗氧化性和抗蠕變性，能夠彌補室溫脆、塑性較差的缺點。

實現本發明的技術解決方案為：一種添加碳硅鎢釔的片層組織高鈮鈦鋁合金，其名義成分為：Al、Nb、C、Si、W、Y，其余為Ti元素。

一種添加碳硅鎢釔的片層組織高鈮鈦鋁合金制備方法，利用光學浮區法來進行定向凝固，不僅可以獲得取向片層組織，極大地提高合金的斷裂韌性、蠕變強度、室溫塑性等性能，而且具有無需坩堝、無污染、生長速度快等優點。包括以下步驟：

步驟1、以純鈦、純鋁、純鈮、純碳、純硅、純鎢、純釔(所有純度均為99.99%)為原料。

步驟2、將步驟1中配好的原料放入電弧熔煉爐中，抽真空，充入高純氬氣，然后調節電弧熔煉爐的電流和電壓，獲得紐扣錠。

步驟3、將步驟2中制備的紐扣錠放入懸浮熔煉爐中，抽真空，充入高純氬氣，然后調節懸浮熔煉爐的功率，用石英管吸鑄成圓柱形試棒。

步驟4、將步驟3中制備的圓柱形試棒放入光學浮區法爐中，充入高純氬氣，然后調節加熱功率、上下試樣的旋轉速度、抽拉速率等實驗參數。在上述條件下對圓柱形試棒進行定向凝固，獲得片層組織高鈮鈦鋁合金試樣。

步驟5、從光學浮區法爐中取出試樣并空冷至室溫，再進行表面打磨處理。