[发明专利]一种定向TiAl基合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种定向TiAl基合金及其制备方法，具体涉及一种在较低温度下节能，无污染，具有组织定向排列的柱状晶TiAl基合金的制备方法，可用作航空航天发动机涡轮叶片材料的制备，如镍基高温合金等。

背景技术

TiAl基金属间化合物具有低密度、高比强度、高弹性模量、优异的抗氧化及抗蠕变性能等优点，且在高温下仍能保持较高的比强度及比刚度，在航空、航天发动机和汽车耐高温结构材料等领域具有广阔的应用前景。美国GE公司近期宣布，用于波音787和747－8民航客机的GENX发动机低压涡轮后两级叶片将采用TiAl基金属间化合物，减轻发动机重量约200kg，这是该体系合金作为结构材料首次在航空工业领域批量应用，对航空发动机的减重意义重大，推动了全球TiAl基金属间化合物的研究热潮。

与大多数金属间化合物一样，室温脆性是阻碍TiAl基合金作为高温结构材料实际应用的最大障碍，无法通过塑性加工的方法制备成形出结构材料。因此净型成形技术将是解决TiAl基合金取得工业应用的首要技术途径。对于高温合金而言，获得具有晶界与拉伸应力方向平行排列的定向显微结构的多晶材料具有更优良的抗蠕变性能，高的抗疲劳抗力，有利于抑制裂纹扩展，提高合金的断裂韧性。此外，由于金属间化合物的晶体结构对称性低，晶界结合力差，晶界数量越多，反而危害越大。常规的热处理工艺可以归纳为淬火-回火/时效热处理和循环热处理两大类，但是常规的热处理只能获得细小的等轴晶，而不能获得具有取向材料或柱晶材料。

现有的定向凝固设备[专利：CN 103436960 A]制备TiAl基合金不仅需要将合金加热到熔点以上，能耗高，而且设备的加热宽度高，效率低，生长速度慢。因为需要坩埚，所以还会对合金熔体带来污染。现有的定向凝固技术制备TiAl基合金 [专利：CN 102400074 A]具体的弊端体现在一下几点，第一，定向凝固需要将材料加热到熔点以上，因此能耗高；第二，由于钛及钛合金熔体几乎与所有陶瓷坩埚材料发生剧烈的反应，故而会对合金造成污染；第三，定向凝固过程要经历包晶反应，因此会产生偏析，对材料性能影响很大；第四，定向凝固技术无法制备出比如钨、钼等难熔金属和合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节能，无污染，具有定向排列的柱状晶TiAl基合金的制备方法，用于要求高的抗蠕变性能、高的疲劳抗力的高温涡轮发动机叶片材料的制备上。

实现本发明目的的技术解决方案为： 

一种TiAl基合金，按原子百分比计，合金成分如下：Ti-(40-50)Al-aNb-bCr-cMo-dV-eMn，式中，a、b、c、d、e为原子百分比，a+b+c+d+e≤10，余量为Ti。

优选的方案，a、b、c、d、e中至少两个不为0。

更优选的方案，a、b、c、d、e中至少三个不为0。

一种制备上述定向TiAl基合金的方法，所述方法包括以下步骤：

第一步：按照合金成分配比将原料放入真空感应悬浮熔炼炉中熔炼母合金；

第二步：采用真空吸铸的方法，制备TiAl合金铸棒；

第三步：采用光学浮区晶体生长系统，对第二步制备出来的合金铸棒进行热处理。

其中，第一步中所述母合金熔炼时采用水冷铜坩埚，真空抽至10^-3Pa以下，再充入惰性气体氩气至常压，熔炼功率为24kW，熔炼时间为3分钟，反复熔炼次数为3次。

第二步中所述母合金铸棒的真空吸铸是采用Φ4的石英玻璃管吸铸成型，吸铸的压强差为0.03MPa，采用的功率为20kW。

第三步中所述TiAl基合金热处理工艺：在1250-1350℃，保温2-5min，保护气氩气流量为3-3.6L/min，牵引棒转动速度为20rpm，抽拉速率为3-13μm/s，升温和降温速率均为276.4-276.6K/s。

本发明设计原理如下：

本发明主要是通过定向热处理来控制热流方向，从而控制合金重结晶及再结晶过程晶粒的长大方向，以获得所需要的定向晶粒排列的显微结构或单晶技术。它是固态条件下的组织定向化技术，是制备具有定向显微结构并控制晶粒取向和晶界结构的有效手段。

在合金成分设计上，由于高熔点的难熔元素Nb的添加，不仅有效地提高了合金的高温力学性能，同时改善了高温抗氧化性能，而且还保留了普通TiAl基合金低密度的优点，现在己经成为国内外TiAl基合金发展的重要方向之一。