[发明专利]一种低钨高铌片层组织钛铝合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高性能合金材料制造领域，特别是一种低钨高铌片层组织钛铝合金及其制备方法。

背景技术

随着航空航天、汽车等工业领域的发展，人们在追求更高效率和更高性能时通常会受到材料性能极限的制约，无法进一步满足对材料性能的要求。因此，新型材料的开发和利用已经迫在眉睫。在高温合金领域，高温金属间化合物具有低的密度、高的熔点、比强度和高温强度以及良好的抗氧化性和抗蠕变性等优点。因此，高温金属间化合物的出现使人们看到了新的希望。人们希望通过对高温金属间化合物的研究来发掘更高效率和更高性能的潜力。因此，高温金属间化合物的研究已成为近年来材料科学中一个十分活跃的研究方向。

在高温金属间化合物中，TiAl基合金由于晶体中含有金属键与共价键，使其有可能同时兼有金属和陶瓷的力学性能，以及由此产生低的密度、高的刚度、比强度、比模量、高温强度及良好的抗氧化性和抗蠕变性等优点。因此，TiAl基合金被认为是一种能代替铁合金和镍基合金的在航天航空及汽车等其他工业领域中极具应用潜力的高温结构材料。在TiAl基合金中，δ-TiA1₃基合金由于固溶范围太窄，因此在室温时的塑性差，难以机械加工， α₂-Ti₃A1基合金存在着结构不稳定以及在恶劣环境和循环载荷下开裂的问题，因此目前研究焦点主要集中在γ-TiAl基合金的研究和开发上。这类合金一般含有15%的α₂-Ti₃A1，为双相结构。因此，与α₂-Ti₃A1相比，该合金具有更低的密度、更高的强度和良好的抗氧化性。但由于该合金的室温脆、塑性较差、高温下抗氧化性不足等缺点，从而限制了其在实际中的广泛应用。

γ-TiAl基合金中所面临的问题是如何通过控制合金成分和显微组织改善其综合力学性能，以及如何以比较简单的工艺途径实现这一目标。其中显微组织是影响γ-TiAl基合金力学性能的主要因素。研究表明，具有细小均匀的片层组织的γ-TiAl合金具有较好综合性能。目前，主要采用定向凝固的技术来改善钛铝合金显微组织，获取片层组织，使外加载荷平行于片层界面。研究表明，外加载荷平行于片层界面可以获取最佳的强度与塑性的综合，所以对于某些转动部件，如发动机叶片，使受力方向平行于γ-TiAl合金片层取向，是发挥材料性能优势的最佳选择。定向凝固技术是通过利用凝固时热传导方向的控制，在凝固金属与未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，达到控制凝固过程及凝固路径，并控制晶体取向，消除横向晶界，获得特定片层方向的目的，从而提高其塑性、断裂韧性等其他力学性能。因此，定向凝固技术已成为国内外对新一代金属间化合物的研究重点，是加快扩展γ-TiAl在工业化的应用的技术手段。

文献1（傅恒志，郭景杰，苏彦庆，刘林，徐达鸣，李金山．TiAl金属间化合物的定向凝固和晶向控制．中国有色金属学报，2003（13）：797-809．）研究表明：如果对γ-TiAl 基合金按照普通定向凝固的方法来控制，无论先析出α相还是β相，都无法保证最终的片层组织全部平行于定向凝固的优先生长方向。当初生相为β相时，其优先生长方向为(001)，片层组织与定向凝固的优先生长方向成0o或45°角。当初生相为α相时，其优先生长方向为[0001]，片层组织与定向凝固的生长方向成90°角。

文献2 (Microstructure control of TiAl alloys containing βstabilizers by directional solidification，Materials Science and Engineering. A329–331，(2002)， 13–18)研究表明，在Bridgeman法定向凝固中，当初生β相先析出时，最终获得的片层组织平行于优先生长方向的可能性仅为1/3，而有2/3的片层组织会与优先生长方向成45o角，从而无法获得出全部与优先生长方向平行的片层组织，不能制备出具有最佳室温和高温性能的合金试样。