[發明專利]一種Cr、Mn合金化β相凝固高Nb?TiAl合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201410090519.3
• 申請日: 2014-03-12
• 公開（公告）號: CN103820672B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 陳子勇;宮子琪;周峰;柴麗華;相志磊
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C30/00;C22C1/03;B22D13/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及一種高Nb-TiAl合金及其制備工藝，尤其涉及一種Cr、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金及其制備方法，屬于合金技術領域。

背景技術

TiAl合金由于其低密度、低膨脹系數、高比強度、高彈性模量以及較好的高溫抗蠕變抗氧化性能等優點，被認為是非常具有應用前景的輕質耐高溫結構材料，可應用于航空、航天以及汽車工業等領域。目前，GE公司已將其成功應用于波音787客機GEnx發動機低壓渦輪后兩級葉片，三菱公司也將TiAl合金應用于汽車增壓渦輪。然而，TiAl合金塑性低和熱加工性能差等缺點限制了其廣泛應用，因此科學工作者對TiAl合金的制備成形、組織控制和加工變形方面的進行了大量研究，結果表明，β相凝固可以有效地提高TiAl合金的力學性能和熱加工性能。隨著人們TiAl合金高溫性能要求的日益提高，Nb元素成為了TiAl合金中有效提高高溫強度和高溫抗氧化性能的重要元素，高Nb-TiAl合金也成為了TiAl合金研究的重要領域，β相凝固TiAl合金成為一個重要研究方向。現在，為了進一步提高β相凝固高Nb-TiAl合金的性能，重要的β相穩定元素被加入其中，而Cr和Mn的同時添加在高Nb-TiAl合金中的物理冶金行為尚未見詳細報道。

發明內容

本發明的目的是提供一種通過在合金熔煉的過程中添加多元β相穩定元素Cr和Mn使得合金凝固路線由傳統的包晶反應凝固轉變成β相凝固，進而改善合金材料組織性能的Cr、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金材料及其制備方法。

本發明的Cr、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金材料，其特征在于，其元素的摩爾百分含量為:43～45%的Al、5～15%（優選8%）的Nb、不高于0.5%的Cr、不高于1%的Mn和余量的Ti及不可避免的雜質。

本發明的Cr、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金的制備方法，通過下述步驟實現的：

（1）、稱取如下原料：海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻片和電解錳片；其中控制Al、Nb、Cr、Mn和Ti元素的摩爾百分含量為43%～45%的Al、5～15%的Nb、不高于0.5%的Cr、不高于1%的Mn和余量為Ti及不可避免的雜質；

（2）、將步驟（1）稱得的原料通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時先將海綿鈦置于模具四周內側邊緣，然后海綿鈦圍成的區域內部自下而上各層分別為高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解錳片層、電解鉻片層和海綿鈦層；

（3）將步驟（2）得到的壓塊放入到可離心澆注的水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐中，熔煉前將金屬鑄型模具預熱至300～400℃，水冷銅坩堝真空感應熔煉爐抽真空至1.0～3.0×10^-3mbar，以20～30kw/min（優選20kw/min）增長速率將水冷銅坩堝真空感應熔煉爐熔煉功率升至160～180kw后停止增加功率，然后在恒定功率下熔煉200～300s得熔體，使熔體混合均勻；

（4）將步驟（3）中的熔體澆鑄到事先預熱好的且離心旋轉的金屬鑄型模具中，離心機轉速優選為120r/min，形成Cr、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金鑄錠，并隨爐冷卻。

本發明步驟（1）中海綿鈦的質量純度為99.78%，高純鋁的質量純度為99.99%，鋁鈮中間合金的質量純度為99.86%，電解鉻片的質量純度為99.99%，電解錳片的質量純度為99.99%；各原料為市售產品。

本發明確定了Cr和Mn的最佳加入量范圍，在材料凝固過程中，Cr和Mn的加入改變了合金的凝固路線，由傳統的L→L+β→α→…變為L→L+β→β→…，得到的高Nb-TiAl合金顯微組織非常細小，且無明顯偏析出現，形成的β相主要出現在片層晶團晶界處并呈網狀分布。細小均勻、無明顯偏析的組織有利于合金的熱加工性，改善合金的綜合性能。

本發明得到了均勻細小且無明顯偏析的的TiAl合金組織，且采用水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐熔煉并進行離心澆注，工藝過程簡單易操作。

附圖說明

圖1實施例1的Cr、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金Ti-45Al-8Nb-0.5Cr-1Mn鑄態合金光學顯微組織圖；

圖2實施例1的Cr、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金Ti-45Al-8Nb-0.5Cr-1Mn鑄態合金X-射線衍射譜圖；

圖3實施例1的Cr、Mn合金化β相凝固高Nb-TiAl合金Ti-45Al-8Nb-0.5Cr-1Mn鑄態合金掃描電子顯微圖；