一種高溫高強(qiáng)TiAl-Nb單晶及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高溫高強(qiáng)TiAl-Nb單晶及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TiAl合金具有低密度、高比強(qiáng)、良好的高溫性能以及優(yōu)異的抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)，是以克為減重單位的航空航天高溫用，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)用最佳候選材料。美國(guó)GE公司成功利用T1-48Al-2Cr-2Nb (4822)合金研制了波音飛機(jī)后兩級(jí)低壓渦輪葉片，使飛機(jī)減重200Kg左右。高Nb-TiAl合金與常規(guī)TiAl合金相比，能夠顯著提高其抗氧化性和抗蠕變能力，由于Nb的熔點(diǎn)高，可提高合金使用溫度60-100°C，室溫強(qiáng)度提高300-500MPa，是發(fā)展高溫高性能TiAl合金的首例。采用定向凝固方法制造具有單晶或者柱狀晶組織的TiAl合金，可提高合金的室溫塑性、高溫抗疲勞及抗蠕變性能，并且可以阻止裂紋擴(kuò)展。
[0003]由于傳統(tǒng)制備高Nb-TiAl單晶的方法為Bridgman定向凝固，i甘禍保護(hù)涂層會(huì)擴(kuò)散到合金熔體中，形成雜質(zhì)而影響力學(xué)性能。光學(xué)浮區(qū)制備單晶可避免該缺點(diǎn)，但是其溫度梯度小，制備成功率低，所以至今并沒(méi)有高Nb-TiAl單晶的高溫力學(xué)性能測(cè)試。此外，Nb元素為β相穩(wěn)定元素，過(guò)高的Nb元素會(huì)造成定向凝固試樣中存在較多的室溫殘留偏析相，該偏析相為富Nb少Al的脆性相，會(huì)降低合金力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高溫高強(qiáng)TiAl-Nb單晶及其制備方法。通過(guò)采用光學(xué)浮區(qū)晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)進(jìn)行縮頸選晶高效定向凝固，并通過(guò)合理熱處理在不引入雜晶和粗化片層基礎(chǔ)上，消除脆性有害相，成功地獲得了韌脆轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到900°C以上的高溫高強(qiáng)TiAl-Nb 單晶。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種高溫高強(qiáng)TiAl-Nb單晶材料，按原子百分比計(jì)，合金成分為:T1-(43?47)Α1-(6?10)Nb-(0.1?I) (C、Si)，其余為T(mén)i。
[0006]上述高溫高強(qiáng)TiAl-Nb單晶材料的制備方法包括以下步驟:
[0007](I)按合金原子百分比稱重原材料，惰性氣氛保護(hù)下，采用電磁感應(yīng)懸浮熔煉法反復(fù)熔煉紐扣狀TiAl-Nb母合金鑄錠；
[0008](2)采用差壓吸鑄或者重力鑄造制備TiAl-Nb圓棒試樣，并作為籽晶棒和送料棒；
[0009](3)采用光學(xué)浮區(qū)晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)對(duì)TiAl-Nb圓棒試樣進(jìn)行定向凝固，下端為長(zhǎng)度在20-30mm的籽晶棒，上端為長(zhǎng)度小于190mm的送料棒，并對(duì)送料棒進(jìn)行縮頸選晶處理；定向凝固時(shí)首先將送料棒與籽晶棒同軸且垂直于水平面設(shè)置，送料棒與籽晶棒間隔l_3mm，且該間隔位于四個(gè)燈絲聚焦中心處；通入流量在3?5L/min的惰性氣體(氬氣或者氮?dú)?進(jìn)行保護(hù)，并調(diào)節(jié)籽晶棒和送料棒以相反方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為20?40r/min，在6_12min之內(nèi)將功率均勻升至65-70%加熱熔化合金；調(diào)整送料棒與籽晶棒相互接觸，保溫5-10min后當(dāng)浮區(qū)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速率為5?30mm/h，開(kāi)始進(jìn)行定向凝固，凝固結(jié)束后緩慢降低功率，同時(shí)并將已凝固試樣與剩余送料棒試樣進(jìn)行緩慢分離；
[0010](4)將TiAl-Nb單晶合金進(jìn)行去偏析真空熱處理。
[0011]其中，步驟(I)中，熔煉次數(shù)不少于4次。
[0012]步驟(2)中，差壓吸鑄時(shí)，壓強(qiáng)差保持在3MPa，重力鑄造時(shí)，保護(hù)氣體壓強(qiáng)在三分之二的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；所制備的母合金圓棒試樣尺寸為Φ (4?8)_。
[0013]步驟⑷中，對(duì)單晶棒進(jìn)行工藝為“1250°C X24h+900°C X30min+空冷”的去偏析真空熱處理。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:
[0015](I)本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)Nb元素含量，并添加少量C和Si強(qiáng)化元素，可有效改善合金高溫力學(xué)性能。
[0016](2)本發(fā)明通過(guò)對(duì)送料棒進(jìn)行縮頸選晶光學(xué)浮區(qū)定向凝固，可避免傳統(tǒng)Bridgman定向凝固帶來(lái)合金污染問(wèn)題，而且快速高效得到TiAl-Nb單晶。
[0017](3)運(yùn)用真空熱處理可消除了富Nb脆性偏析相，而且避免了片層粗化。
[0018](4)該方法制備工藝簡(jiǎn)單，快速高效，成本低，高溫強(qiáng)度顯著提高，具有普遍適用性及推廣價(jià)值。
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是為T(mén)iAl-Nb單晶凝固時(shí)固液界面形貌(a)以及縮頸選晶原理示意圖(b)。
[0021]圖2是TiAl-Nb合金定向凝固后得到的光學(xué)形貌。
[0022]圖3是TiAl-Nb單晶熱處理前(a)后(b)偏析掃描電鏡圖片。
[0023]圖4是TiAl-Nb單晶熱處理前(a)后(b)片層間距圖片。
[0024]圖5是TiAl-Nb在900°C下拉伸的位移強(qiáng)度曲線。
[0025]實(shí)施例1
[0026](I)選用合金成分原子百分比為:T1-45Al-8Nb-0.3C_0.2Si，余量為T(mén)i，初始原料為99.999%的高純Al、T1、C和Si以及99.95%的高純Ti在水冷銅坩禍電磁感應(yīng)懸浮熔煉爐反復(fù)四次熔煉TiAl-Nb紐扣壯母合金鑄錠；
[0027](2)采用壓強(qiáng)差為3MPa的差異吸鑄法獲得Φ6πιπι圓棒狀合金。
[0028](3)采用光學(xué)浮區(qū)法進(jìn)行定向凝固，下端為20mm的籽晶棒，上端為150mm的送料棒，并對(duì)送料棒進(jìn)行縮頸選晶處理。定向凝固時(shí)首先將送料棒與籽晶棒安裝好，送料棒與籽晶棒必須保持同軸且垂直于水平面設(shè)置，送料棒與籽晶棒相距l(xiāng)_3mm，且其相對(duì)一端位于四個(gè)燈絲聚焦中心處；通入流速為4L/min的保護(hù)氣體，并調(diào)節(jié)籽晶棒和送料棒分別以30r/min反方向旋轉(zhuǎn)，加熱功率在1min內(nèi)升為68%使合金熔化，保溫5min后以15mm/h的生長(zhǎng)速率進(jìn)行定向凝固。由于光學(xué)浮區(qū)加熱特點(diǎn)致使固液界面為圖1(a)所示的凸形界面，原理圖為圖1(b)所示，中間晶粒將沿著生長(zhǎng)方向生長(zhǎng)，而兩側(cè)晶粒將向兩側(cè)斜方向生長(zhǎng)，因此對(duì)送料棒進(jìn)行縮頸選晶處理后，將會(huì)使中間生長(zhǎng)的晶粒淘汰兩側(cè)晶粒，快速長(zhǎng)大為單晶，從競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)到最終穩(wěn)定生長(zhǎng)的過(guò)程過(guò)圖2所示；
[0029](4)將制備好的TiAl-Nb單晶進(jìn)行真空去偏析熱處理，熱處理前的偏析形貌如圖3(a)所示，在1250°C的α單相區(qū)加熱24h后可使偏析相消除，再經(jīng)過(guò)900°C的30min均勻化處理，以空冷方式得到最終單晶，圖3(b)所示說(shuō)明熱處理已經(jīng)完全消除。圖4為熱處理前后片層間距變化，由于空冷冷速較