一種碳硅鎢釔片層組織高鈮鈦鋁合金及其制備方法技術(shù)

一種碳硅鎢釔片層組織高鈮鈦鋁合金及其制備方法，合金屬于γ-TiAl合金，其名義成分為：Al：45.0%～48.0%、Nb：5.0%～8.0%、C：0.5%～1%、Si：0.1%～0.5%、W：1.0%～2.0%、Y：0.1%～0.5%，其余為Ti，利用電弧熔煉制備紐扣錠，通過懸浮熔煉吸鑄成圓柱形試棒，采用光學(xué)浮區(qū)法對(duì)試棒進(jìn)行定向凝固，獲得片層組織高鈮鈦鋁合金試樣。與普通鈦鋁合金相比，該合金能夠進(jìn)一步細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度、硬度，且具有良好的抗氧化性和抗蠕變性，能夠彌補(bǔ)室溫脆、塑性較差的缺點(diǎn)。同時(shí)，利用光學(xué)浮區(qū)法來進(jìn)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(qiáng)度、室溫塑性等性能，而且具有無需坩堝、無污染、生長(zhǎng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于高溫合金領(lǐng)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(shù)介紹
隨著航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，人們?cè)谧非蟾咝屎透咝阅軙r(shí)通常會(huì)受到材料性能極限的制約，無法進(jìn)一步滿足對(duì)材料性能的要求。因此，新型材料的開發(fā)和利用已經(jīng)迫在眉睫。在高溫合金領(lǐng)域，高溫金屬間化合物具有低的密度、高的熔點(diǎn)、比強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度以及良好的抗氧化性和抗蠕變性等優(yōu)點(diǎn)。因此，高溫金屬間化合物的出現(xiàn)使人們看到了新的希望。人們希望通過對(duì)高溫金屬間化合物的研究來發(fā)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(xué)中一個(gè)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(jià)鍵，使其有可能同時(shí)兼有金屬和陶瓷的力學(xué)性能，以及由此產(chǎn)生低的密度、高的剛度、比強(qiáng)度、比模量、高溫強(qiáng)度及良好的抗氧化性和抗蠕變性等優(yōu)點(diǎn)。因此，TiAl基合金被認(rèn)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(yè)領(lǐng)域中極具應(yīng)用潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料。在TiAl基合金中，S-TiAl3基合金由于固溶范圍太窄，因此在室溫時(shí)的塑性差，難以機(jī)械加工。a 2-Ti3Al基合金存在著結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定以及在惡劣環(huán)境和循環(huán)載荷下開裂的問題。因此，目前研究焦點(diǎn)主要集中在Y-TiAl基合金的研究和開發(fā)上。這類合金一般含有15%的Q2-Ti3Al,為雙相結(jié)構(gòu)。因此，與Q2-Ti3Al相比，該合金具有更低的密度、更高的強(qiáng)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(diǎn)，從而限制了其在實(shí)際中的廣泛 應(yīng)用。目前，主要采用定向凝固的技術(shù)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(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，797-809，13，2003):外加載荷平行于片層界面可以獲取最佳的強(qiáng)度與塑性的綜合，所以對(duì)于某些轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，使受力方向平行于Y-TiAl合金片層取向，是發(fā)揮材料性能優(yōu)勢(shì)的最佳選擇。因此，定向凝固技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外對(duì)新一代金屬間化合物的研究重點(diǎn)，是加快擴(kuò)展Y-TiAl在工業(yè)化的應(yīng)用的技術(shù)手段。當(dāng)今，人們采用光學(xué)浮區(qū)法對(duì)TiAl合金進(jìn)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(chǎng)，所以是一種生長(zhǎng)片層結(jié)構(gòu)的新方法。與傳統(tǒng)的Bridgeman法進(jìn)行定向凝固相比，該方法的主要特點(diǎn)是:(1)由于熔煉溫度高，所以可以生長(zhǎng)高熔點(diǎn)的材料；(2)溫度梯度較高；(3)由于采用光學(xué)控制，所以凝固速率等系數(shù)控制精度較高；(4)由于生長(zhǎng)不需要坩堝，所以有效解決了高溫鈦熔體與坩堝的反應(yīng)問題，使得材料處于無污染的環(huán)境之中
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)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(jìn)一步細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度、硬度，且具有良好的抗氧化性和抗蠕變性，能夠彌補(bǔ)室溫脆、塑性較差的缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)的技術(shù)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、S1、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(xué)浮區(qū)法來進(jìn)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(qiáng)度、室溫塑性等性能，而且具有無需坩堝、無污染、生長(zhǎng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。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I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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(xué)浮區(qū)法爐中，充入高純氬氣，然后調(diào)節(jié)加熱功率、上下試樣的旋轉(zhuǎn)速度、抽拉速率等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。在上述條件下對(duì)圓柱形試棒進(jìn)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(xué)浮區(qū)法爐中取出試樣并空冷至室溫，再進(jìn)行表面打磨處理。本專利技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)有:1.與普通鈦鋁合金相比，該合金能夠進(jìn)一步細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度、硬度，且具有良好的抗氧化性和抗蠕變性，能夠彌補(bǔ)室溫脆、塑性較差的缺點(diǎn)。該合金具有Ni基、Fe基和Co基高溫材料所無法比擬的優(yōu)良性能。2.與傳統(tǒng)的Bridgeman法進(jìn)行定向凝固相比，利用光學(xué)浮區(qū)法來進(jìn)行定向凝固，該方法具有熔煉溫度高、溫度梯度高、參數(shù)控制精確、材料無污染等特點(diǎn)，且在凝固過程中的固液界面前沿具有平直的溫度場(chǎng)，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(qiáng)度、室溫塑性等性能，而且具有無需坩堝、無污染、生長(zhǎng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是一種制備片層組織高鈮鈦鋁合金的新方法。具體實(shí)施例方式本專利技術(shù)的一種碳硅鎢釔片層組織高鈮鈦鋁合金，其合金的名義成分為:A1:45.0% 48.0%、Nb:5.0% 8.0%、C:0.5% l%、S1:0.1% 0.5%、W:1.0% 2.0%、Y:0.1% 0.5%，其余為Ti元素。上述的名義成分是以原子百分比表示。本專利技術(shù)的一種碳硅鎢釔片層組織高鈮鈦鋁合金制備方法，按以下步驟進(jìn)行: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，按照如下名義成分來進(jìn)行配料:A1:45.0% 48.0%、Nb:5.0% 8.0%、C:0.5% l%、Si:0.1% 0.5%、W:1.0% 2.0%、Y:0.1% 0.5%，其余為Ti元素。上述的名義成分是以原子百分比表示。步驟2、將步驟I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(diào)節(jié)電弧熔煉爐的電流和電壓，獲得紐扣錠；其中所述的真空度為0.01 0.03Pa，所述的充入高純氬氣后真空度為600 650Pa，所述的電弧電源電流為200A，所述的電弧電源電壓為2V ;在上述條件下，反復(fù)熔煉3 5次，獲得成分均勻的紐扣錠，其重為20 30g。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(diào)節(jié)懸浮熔煉爐的功率，用石英管吸鑄成圓柱形試棒；其中所述的真空度為5 10Pa，所述的充入高純氬氣后，吸鑄閥門下方壓力為一個(gè)大氣壓，上方壓力為0.03 0.05MPa ;所述的懸浮熔煉爐的功率為20KW ;石英管直徑為Φ4πιπι ;所得的圓柱形試棒尺寸為Φ4Χ (70 120)mm。步驟4、將步驟3中制備的圓柱形試棒放入光學(xué)浮區(qū)法爐中，充入高純氬氣，然后調(diào)節(jié)加熱功率、上下試樣的旋轉(zhuǎn)速度、抽拉速率等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在上述條件下對(duì)圓柱形試棒進(jìn)行定向凝固，獲得片層組織高鈮鈦鋁合金試樣；其中所述的通入高純氬氣，流量為4 6L/min ;所述的加熱功率為I 3KW ;所述的上下試樣的旋轉(zhuǎn)速度為25 35r/min ;所述的抽拉速率為2 20mm/h。步驟5、從光學(xué)浮區(qū)法爐中取出試樣并空冷至室溫，再進(jìn)行表面打磨處理。實(shí)施例1:(I)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，按照Ti45Al45Nb5Ca5SiaiW1Yai的成分配比稱取材料。(2)將上述配好的原料放入電弧熔煉爐中，抽真空至0.0lPa，充入高純氬氣至600Pa,然后在電弧熔煉爐電流為200A,電壓為2V的條件下進(jìn)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種碳硅鎢釔片層組織高鈮鈦鋁合金，其特征在于：合金的名義成分為：鋁、鈮、碳、硅、鎢、釔，鈦。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種碳硅鎢釔片層組織高鈮鈦鋁合金，其特征在于:合金的名義成分為:鋁、鈮、碳、娃、鶴、乾，欽。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁合金，其特征在于:各成分的組分為:鋁:45.0% 48.0%、鈮:5.0% 8.0%、碳:0.5% 1%、硅:0.1% 0.5%、鎢:1.0% 2.0%、釔:0.1% 0.5%，其余為鈦元素，上述的名義成分是以原子百分比表示。3.—種碳硅鎢釔片層組織高鈮鈦鋁合金的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1、以欽、招、銀、碳、娃、鶴、乾為原料； 步驟2、將步驟I中的原料放入熔煉爐中，抽真空，充入氬氣，進(jìn)行熔煉，獲得紐扣錠； 步驟3、將步驟2中制備的紐扣錠放入熔煉爐中，抽真空，充入氬氣，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(xué)浮區(qū)爐中，充入氬氣，對(duì)圓柱形試棒進(jìn)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(xué)浮區(qū)法爐中取出試樣并空氣冷卻，再進(jìn)行表面打磨處理。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于:步驟I中原料按照如下名義成分來進(jìn)行配料:鋁:45.0% 48.0%、鈮:5.0% 8.0%、碳:0.5% 1%...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李永勝，龐玉璇，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南京理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：