一種減少定向凝固鈦鋁合金鑄件與鑄型涂層反應(yīng)的工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種減少定向凝固鐵侶合金鑄件與鑄型涂層反應(yīng)的優(yōu)化，屬于高溫結(jié) 構(gòu)合金的界面反應(yīng)優(yōu)化工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵侶合金作為一種輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，不僅密度低、比強(qiáng)度高、彈性模量高，而且 有良好的高溫抗氧化和抗蠕變能力，是發(fā)動(dòng)機(jī)材料的研究熱點(diǎn)之一，在航空航天、生物醫(yī)療 和汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由TiAKr相)和少量Ti3Al(a2相)組成的全片層組織 比其他形式的組織具有更好的力學(xué)性能，明顯的呈現(xiàn)出各向異性，外加載荷與片層方向一 致的情況下，材料的屈服強(qiáng)度、延伸率、斷裂初性和蠕變性能都得到顯著提高，能有效提高 合金的綜合力學(xué)性能。因此，控制凝固合金的片層取向能極大拓寬TiAl合金的使用范圍。
[0003] 定向凝固技術(shù)是在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固烙體中建立起 特定方向的溫度梯度，從而使烙體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向的柱狀 晶或單晶的一種鑄造工藝。定向凝固技術(shù)能獲得平行于軸向的柱狀晶，消除普通鑄造中與 應(yīng)力軸垂直的橫向晶界，避免了高溫應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋的主源，提高合金的持久強(qiáng)度和塑性， 改善熱沖擊抗力和蠕變強(qiáng)度，從而大幅度提高鐵侶合金構(gòu)件的服役能力。
[0004] 有學(xué)者采用定向凝固技術(shù)，利用巧晶的引晶作用在陶瓷鑄型中控制TiAl合金的片 層取向，制備出了與生長方向完全平行的定向全片層組織。但是鐵侶合金烙點(diǎn)高、具有很高 的化學(xué)活性，會(huì)與鑄型材料發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)，導(dǎo)致在鑄件表面形成污染層，劣化了 鐵侶合金鑄件的內(nèi)部及表面質(zhì)量，影響鑄件的尺寸精度。
[0005] 也有研究嘗試采用無鑄型烙煉來避免定向凝固過程中界面反應(yīng)的發(fā)生，但實(shí)際應(yīng) 用受到限制。例如電磁約束成形定向凝固和懸浮區(qū)烙定向凝固，前者單靠電磁力約束合金 烙體存在難于成形復(fù)雜構(gòu)件的問題，而后者依靠表面張力保持烙區(qū)的穩(wěn)定只能成形微小構(gòu) 件，難于制備較大鑄件。有效調(diào)控有鑄型定向凝固過程中鐵侶合金烙體與鑄型材料間的界 面反應(yīng)是亟待解決的問題。
[0006] 定向凝固鐵侶合金對(duì)鑄型有特殊的要求:高溫穩(wěn)定性好，抗熱振性，耐化學(xué)腐蝕， 同時(shí)還要易加工、價(jià)格便宜。目前應(yīng)用到定向凝固中的鑄型材料有石墨、Zr〇2、Ah〇3和Y2化 等。但是石墨鑄型中的C元素進(jìn)入到合金烙體中改變了原有成分合金的凝固路徑;Zr〇2脆性 較大且與試樣反應(yīng)層較厚；高溫Ah〇3顆粒會(huì)脫落進(jìn)入烙體在凝固組織中形成大量的夾雜 物;致密的Y2化抗熱震性差，定向凝固時(shí)易碎裂且價(jià)格昂貴。因此，雙層結(jié)構(gòu)鑄型在節(jié)省成本 上有較大的提高。本發(fā)明采用的是內(nèi)壁涂有Y2化涂層的Ah〇3鑄型。
[0007] 研究表明，界面反應(yīng)與接觸時(shí)間和溫度有關(guān)，為了減弱鑄型材料和烙體的界面反 應(yīng)，獲得較好的定向凝固組織，應(yīng)盡量減少烙體與鑄型的接觸時(shí)間，因此在定向凝固過程時(shí) 抽拉速率應(yīng)盡可能的大，W縮短反應(yīng)時(shí)間。然而，隨著抽拉速率的增大，晶粒數(shù)量變多，晶粒 方向與軸向偏差越大，欲獲得少的晶粒數(shù)量和小的夾角，必須采用較低的抽拉速率。因此， 如何合理控制定向凝固的工藝參數(shù)，對(duì)定向凝固鐵侶合金轉(zhuǎn)向工業(yè)化是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 技術(shù)問題:本發(fā)明針對(duì)鐵侶合金定向凝固時(shí)與鑄型的界面反應(yīng)問題，優(yōu)化定向凝 固工藝，設(shè)計(jì)合理的凝固參數(shù)，W期減弱界面反應(yīng)，獲得表面質(zhì)量更好的定向凝固鑄件。
[0009] 為達(dá)到W上技術(shù)問題，本發(fā)明通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 本發(fā)明采用的是Al2〇3(內(nèi)覆厚度為0.5mm的Y2化涂層)鑄型，其特征是價(jià)格適宜，易加 工，在W往的研究中發(fā)現(xiàn)比其他鑄型下的界面反應(yīng)都弱。本發(fā)明的原料是Ti-48Al-7Nb- 2.5V-1.0化，屬于高佩鐵侶合金。
[0010] 所述的鐵侶合金的定向凝固步驟如下： (1) 烙煉:將優(yōu)化比例后的海綿Ti、Al粉、化粉、A1V和AlNb顆粒(粒狀3化目）W合適的方 位擺放于立式離屯、式真空感應(yīng)烙鑄爐中混料，便于烙煉過程中各原料相互反應(yīng)放熱，使其 更快融化。爐中真空度保持在〇.5Pa左右后通入Ar氣保護(hù)。烙鑄成型后將鑄錠倒扣放入再次 烙鑄，反復(fù)Ξ次使鑄錠元素分布均勻，取點(diǎn)檢驗(yàn)成分分布，最后一次的鑄錠作為定向凝固的 母錠； (2) 定向凝固：從(1)中的合金錠上切取直徑為6mm的圓棒，磨去氧化皮，清洗、烘干后裝 入相蝸中。開始前反復(fù)抽真空五次，當(dāng)爐腔真空度達(dá)到5 X 10-3化時(shí)開始加熱，加熱到500°C 時(shí)通入氣氣至壓力為0. 〇5MPa。對(duì)鑄型進(jìn)行分段加熱，第一段為室溫至1300°C，加熱時(shí)間化， 第二段為1300°C至1600°C，然后保溫30分鐘。在60皿/s下進(jìn)行抽拉，抽拉長度為100mm。烙體 在嫁銅液態(tài)金屬冷卻液下迅速凝固。
[OCm]有益效果:通過本實(shí)驗(yàn)，定向凝固參數(shù)采用保溫30分鐘、抽拉速率60ym/s，嚴(yán)格按 照實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)要求，得到的定向凝固試樣界面反應(yīng)層最薄，內(nèi)部污染物最少，實(shí)現(xiàn)了對(duì) 鐵侶合金的定向凝固工藝的優(yōu)化。經(jīng)過設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)定向凝固界面反應(yīng)層厚度降到了 10 ymW內(nèi)，鑄件表面質(zhì)量和尺寸精度得到大大提高，內(nèi)污染物也明顯減少，界面反應(yīng)得到了比 較好的控制。
[0012] 本發(fā)明為Ti-48A^7Nb-2.5V-1.0化合金定向凝固提供了有效的工藝參數(shù)，并對(duì)高 妮鐵侶合金的定向凝固過程提供了借鑒。
【附圖說明】
[0013] 圖1是鐵侶合金的基體形貌和界面反應(yīng)層厚度。
[0014] 圖2是界面反應(yīng)處粉末的物相圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0015] -種減少定向凝固鐵侶合金鑄件與鑄型涂層反應(yīng)的工藝。
[0016] (1)試樣烙煉，在真空感應(yīng)烙鑄爐中制備試驗(yàn)的母錠，合金成分如表1所示。加熱前 將石墨模具預(yù)熱至200°C后保溫1小時(shí)，加熱完成后快冷鑄態(tài)取樣； (2) 在上述合金錠上切取直徑為6mm，長度為100mm的圓棒作為定向凝固試樣。打磨表面 氧化皮，用丙酬超聲清洗后在120°C烘干一小時(shí)； (3) 將試樣放入Al2〇3(內(nèi)徑為6mm，外徑8mm)鑄型中，固定在定向凝固爐中，關(guān)上設(shè)備開 始抽真空，要求爐腔真空度達(dá)到5 X l(T3Pa，加熱到500°C時(shí)通入氣氣至0.05MPa，W減少實(shí)驗(yàn) 過程中蒸發(fā)耗損； (4)感應(yīng)加熱過程分為2段:第一段為500°C至1300°C，加熱時(shí)間化，第二段為1300°C至 1600°C，合理控制感應(yīng)電流、電壓，保溫30分鐘； 巧)定向凝固時(shí)的抽拉速率為60ym/s，抽拉長度為100mm; (6)取出定向凝固試樣，縱向剖切后清理表面，按照金相要求進(jìn)行打磨、機(jī)械拋光、腐 蝕，觀察定向凝固組織、界面反應(yīng)厚度、污染物及其成分。
[0017] 具體測試如下:采用美國FEI Quan化TM250型掃描電子顯微鏡觀察鑄件基體的組 織形貌和界面反應(yīng)層厚度，結(jié)果如圖1所示?；w為典型的鐵侶合金定向凝固組織，在基體 上粘著少量的污染物，反應(yīng)層薄且不連續(xù)，說明界面反應(yīng)較弱。將試樣表面薄層打磨下來， 研鉢細(xì)化后進(jìn)行物相分析，物相分析采用德國布魯克DSAdanceX射線衍射儀，結(jié)果如圖2所 示，凝固后相蝸完整，切粉末中含有Al2〇3,說明界面反應(yīng)僅發(fā)生在烙體和Y2化涂層之間，有 效地減弱了界面反應(yīng)劇烈程度。
[0018] 最后說明：W上僅為本發(fā)明的實(shí)例而已，并通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明， 對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的人員來說，凡對(duì)本發(fā)明做出簡單修改、等同替換與改進(jìn)，均應(yīng)在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種減少定向凝固鈦鋁合金鑄件與鑄型涂層反應(yīng)的工藝，其特征在于:所述合金成 分的重量組份為:48% Al ,7% Nb，2.5% V，1.0% Cr，其余為Ti。2. -種減少定向凝固鈦鋁合金鑄件與鑄型涂層反應(yīng)的工藝，其特征在于包括如下步 驟： (1) 試樣熔煉，在真空感應(yīng)熔鑄爐中制備試驗(yàn)的母錠，合金成分如表1所示，加熱前將石 墨模具預(yù)熱至200°C后保溫1小時(shí)，加熱完成后快冷鑄態(tài)取樣； (2) 在上述合金錠上切取直徑為6mm，長度為100mm的圓棒作為定向凝固試樣，打磨表面 氧化皮，用丙酮超聲清洗后在120°C烘干一小時(shí)； (3) 將試樣放入內(nèi)壁涂覆有0.5mm厚Y2〇3的Al2〇3(內(nèi)徑為6mm，外徑8mm)鑄型中，固定在 定向凝固爐中，關(guān)上設(shè)備開始抽真空，要求爐腔真空度達(dá)到5Xl(T 3Pa，加熱到500°C時(shí)通入 氬氣至0.05MPa，以減少實(shí)驗(yàn)過程中蒸發(fā)耗損； (4) 感應(yīng)加熱過程分為2段:第一段為500°C至1300°C，加熱時(shí)間3h，第二段為1300°C至 1600°C，合理控制感應(yīng)電流、電壓，保溫30分鐘； (5 )定向凝固時(shí)的抽拉速率為60ym/s，抽拉長度為100mm。3. 如權(quán)利要求2所述的一種定向凝固鈦鋁合金的用途，其特征在于：界面反應(yīng)弱，試樣 表面污染少，尺寸精度高。
【專利摘要】本發(fā)明研究了一種減少定向凝固鈦鋁合金鑄件與鑄型涂層反應(yīng)的工藝，屬于高溫結(jié)構(gòu)合金的定向凝固鑄造方法。本發(fā)明的目的在于提供一種定向凝固制備鈦鋁合金時(shí)的最優(yōu)工藝參數(shù)，通過對(duì)Ti-48Al-7Nb-2.5V-1.0Cr合金定向凝固參數(shù)的設(shè)計(jì)，在保溫時(shí)間30分鐘，抽拉速率60μm/s時(shí)使合金熔體與鑄型材料之間的界面反應(yīng)減弱到最小，反應(yīng)層厚度降低在10μm以內(nèi)，鑄件表面較光滑，內(nèi)部污染少。其特征在于既減少了熔體與鑄型的接觸時(shí)間，又避免了抽拉速率大時(shí)晶粒數(shù)增多、晶粒方向與軸向偏差大的問題。本發(fā)明工藝合理、成本低、不影響鈦鋁合金的定向凝固組織取向，可以應(yīng)用到鈦鋁合金的定向凝固工藝中。
【IPC分類】C22C21/00, C30B11/00, C22C30/00, C30B29/52
【公開號(hào)】CN105543618
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510944647
【發(fā)明人】隋艷偉, 程成, 馮坤, 戚繼球, 何業(yè)增, 委福祥, 孟慶坤, 孫智
【申請(qǐng)人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月17日