[发明专利]一种具有细小全层片组织的γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。

背景技术

γ-TiAl基合金是一种新型的高温结构材料，具有高熔点、低密度、高弹性模量以及较好的高温强度、阻燃能力、抗氧化性等优点，是一种具有广阔应用前景的新型轻质耐热高温结构材料，被认为是极具竞争潜力的下一代航空发动机用结构材料之一。然而，TiAl金属间化合物粗大的铸态组织及低的室温塑性限制了其广泛应用。数十年来，国内外学者在TiAl金属间化合物的组织和性能方面做了大量的探索与研究。结果显示，通过加入一定量的合金元素，改变合金的凝固路径，可以细化γ-TiAl的铸态组织。含β相γ-TiAl基合金就是利用这种方法，通过降低Al含量和添加足够量的β稳定元素使合金由传统的L→L+β→α…转变为L→L+β→β→…，得到细小的铸态组织。但是含β相γ-TiAl基合金中Al元素的含量一般在43～45at％之间，而目前世界上应用于铸造的γ-TiAl基合金的Al含量在45～48at％之间，两种合金的凝固路径有本质的区别，因此这种方法并不适用。同时研究者发现，在铸造γ-TiAl基合金添加少量的单质硼可以显著的细化合金组织，但是由于单质硼在熔炼过程中与TiAl合金熔体发生剧烈的放热反应，导致铸锭或铸件中存在大量的气孔，且其成本昂贵。通过研究Ti-Al-B三元相图发现，在1770K时有L+α+TiB₂→L+α反应发生。此反应中，TiB₂的溶解过程相较于单质硼的剧烈放热反应较为温和，因此可在细化组织的同时降低铸态组织中的缺陷。然而，关于TiB₂细化的γ-TiAl金属间化合物材料的制备及TiB₂在γ-TiAl合金中的物理冶金行为尚未见报道。

发明内容

本发明提供了一种具有细小全层片组织的γ-TiAl金属间化合物铸锭及其制备方法。

本发明的一种具有细小全层片组织的γ-TiAl金属间化合物铸锭按原子数百分含量比例为Al：46％～48％、Nb：2％、Cr：2％、TiB₂：0.25％～0.5％和余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和TiB₂粉末制成。

上述的一种具有细小全层片组织的γ-TiAl金属间化合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行：

一、按原子数百分含量比例为Al：46％～48％、Nb：2％、Cr：2％、TiB₂：0.25％～0.5％和余量的Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和TiB₂粉末；

二、将步骤一称取的原料通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解铬层、TiB₂粉末层和海绵钛层，得到金属压块；

三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至300～400℃，然后将步骤二得到的金属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.0×10^-3～3.0×10^-3mbar，再以10～15kW/min速率将熔炼功率升至80～90kW后熔炼300～360s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型中，并随炉冷却，即得到具有细小全层片组织的γ-TiAl金属间化合物铸锭；

其中，海绵钛的质量纯度为99.7％，高纯铝质量纯度为99.99％，铝铌中间合金的质量纯度为99.8％，电解铬的质量纯度为99.99％，TiB₂的质量纯度为99.99％；各原料为市售产品。

本发明包括以下有益效果：

本发明确定了TiB₂的最佳加入量范围，在材料凝固过程中，TiB₂的加入改变了合金的凝固路线，由传统的L→L+β→α…变为L→L+β→L+β+TiB₂→α+TiB₂…，TiB₂颗粒为α相的形核提供额外的形核质点。得到的γ-TiAl金属间化合物铸锭显微组织非常细小，层片团尺寸100μm左右，形成的TiB₂相在组织中均匀分布。细小均匀、无明显偏析的组织有利于改善合金的综合性能。

附图说明

图1为试验一制备的具有细小全层片组织的γ-TiAl金属间化合物铸锭的宏观形貌图；

图2为试验一制备的具有细小全层片组织的γ-TiAl金属间化合物铸锭的扫描电子显微图；