一种多组元Ti-Al-X系金属间化合物平衡相的测量方法

摘要

本发明涉及一种多组元Ti-Al-X系金属间化合物平衡相的测量方法。首先进行扩散偶基准合金成分设计；采用真空感应电弧熔炼技术制备扩散偶基准合金铸锭；将熔炼后的扩散偶基准合金铸锭切割切成测试样品；并将其打磨至表面光滑平整之后，进行真空预焊接；然后对预焊好的样品进行长时间的平衡扩散处理，使两个基准合金之间形成扩散层；之后把中间扩散层制成金相样品进行观察，采用电子探针技术对样品的相界面两端进行Al和Ti含量测试，绘制Al和Ti从α相区到γ相区的浓度分布曲线，并得到两相的平衡成分。与现有技术相比，本发明方法对于给定成分的多组元Ti-Al-X金属间化合物相平衡研究，有重要的理论指导及实践意义。

说明书

技术领域

本发明属于多组元TiAl基金属间化合物相平衡研究领域，尤其是涉及一种多 组元Ti-Al-X系(X可以是Nb、Mo、Cr、V、Si、W、Ta、C、Fe、B、Y等元素中 的一种或几种)金属间化合物平衡相的测量方法。

背景技术

TiAl金属间化合物以其较低的密度、较高的比强度、比刚度、耐腐蚀、耐磨、 耐高温和优良的抗氧化性等优点，被认为是一种极具竞争力和发展前景的航空航天 用轻质高温结构材料。然而，其室温脆性使得其应用受到限制。以TiAl金属间化 合物相变点为理论基础的热处理是显微组织控制的有效手段，是提升TiAl基合金 性能尤其是韧塑性的关键。所以研究者致力于研究TiAl金属间化合物的相变规律， 修正TiAl二元相图，从而为合金的热处理和加工工艺做理论基础。

合金成分的微小变化可导致TiAl合金的力学性能的显著改变。为了提高TiAl 合金的性能和成形性，可以添加合金元素。例如，Cr、Mn、V可以起到改善合金 塑性的作用。添加Nb、Ta、W和Mo这些β相稳定元素，可以显著地提高TiAl 合金的高温抗氧化及抗蠕变性，B在TiAl中的固溶度很差，因此在α单相区中形成 全片层结构时B可以阻止晶粒长大，从而达到控制片层组织结构的目的。因此， TiAl合金成分设计的过程中，除了主要的Ti元素和Al元素外，添加了多种合金元 素。TiAl二元相图在指导TiAl基多组元金属间化合物的相变时有局限性。

Ti-Al-X(X可以是Nb、Mo、Cr、V、Si、W、Ta、C、Fe、B、Y等元素中的 一种或几种)基金属间化合物主要是由α和γ两相组成，α相具有有序的六角结构，具 有较高的高温力学性能，然而韧性较差，并且它对氧和氢有很强的吸收力，使得其 在高温条件下会有脆性。γ相是有序的面心四方结构，单一的γ相虽然有较好的抗氧 化性和较低的吸氢能力，然而其室温塑性基本为零。由于一些β相稳定元素(Nb、 W、Cr等)的存在，在冷却过程中高温不稳定的β相会转变成具有CsCl结构的脆性 B2相，它的存在会降低合金的变形能力。所以对Ti-Al-X基金属间化合物的研究 主要集中于α+γ两相结构上。

传统的合金相变点的测定，合金在某一温度下平衡相的研究手段，如金相法、 热分析法等存在实验周期长、试样需求多、工作量大、测量误差大等问题。

发明内容

本发明的目的是针对成分复杂的Ti-Al-X基金属间化合物(X可以是Nb、Mo、 Cr、V、Si、W、Ta、C、Fe、B、Y等元素中的一种或几种)相变温度测量难的问 题，提供一种多组元Ti-Al-X系金属间化合物平衡相的测量方法，本发明方法对于 给定成分的多组元Ti-Al-X金属间化合物相平衡研究，具有重要的理论指导及实践 意义。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多组元Ti-Al-X系金属间化合物平衡相的测量方法，该方法包括以下步骤：

第一步：扩散偶基准合金成分设计：控制两个基准合金中微量元素X含量相 同，Al的百分含量不同；

第二步：依照第一步设计的基准合金成分，采用真空电弧熔炼技术制备扩散偶 基准合金锭；

第三步：将熔炼后的扩散偶基准合金锭切割切成测试样品；

第四步：将测试样品表面打磨光滑平整之后进行真空预焊接；

第五步：预焊好的样品进行平衡扩散处理，使其中间形成扩散层；

第六步：把中间扩散层制成金相样品进行观察，采用电子探针对样品进行Al 和Ti含量测试，绘制Al和Ti从α相区到γ相区的浓度分布曲线，并得到两相的平 衡成分。

进一步地，微量元素X选自元素Nb、Mo、Cr、V、Si、W、Ta、C、Fe、B 或Y中的一种或几种。

更近一步地，Ti-Al-X合金为添加有(2-8)Nb、(0.5-2)Cr、(0.5-2)Mo、(0.1-0.2) B及(0.1-0.2)Y的TiAl金属间化合物。

第一步中，组成扩散偶的两个基准合金成分选择上，控制微量元素X成分百 分比不变，基于Ti-Al二元相图，选取不同Al含量，使其中一个基准合金在α单相 区，另一个基准合金在γ单相区。

第二步中，制备扩散偶基准合金锭时，以高纯元素单质为原料。

进行真空预焊接前，将测试样品经清洗、打磨和烘干之后封入高纯石英管内， 在1200-1250℃进行保温8h，对其进行成分均匀化预处理，依据TiAl相图，均匀 化温度在1200-1250℃时，Al含量在33-40(at％)的钛铝基合金处在α单相区，Al含 量在48-60％的钛铝基合金处在γ单相区，将测试的基准合金在其各自的单相区进行 均匀化处理，淬火，以调整其成分，使其中一个基准合金在α单相区，另一个基准 合金在γ单相区。

第四步进行真空预焊接时，用两个耐热Mo板夹持两个测试样品，中间通过 Mo丝螺栓紧固。

第四步中，打磨两个测试样品，至其焊合面光洁平整，要求两个基准合金须刚 好并在一起，在真空预焊室进行焊合，预焊管抽真空，真空度为0.1Pa，焊合温度 为900-1000℃，保温30-50min。

第五步中进行平衡扩散处理的温度控制在1000-1300℃，时间在20-240h。

第五步进行的平衡扩散处理在立式管式炉中进行，并用耐热丝把真空封好的石 英管吊于管式炉的中央以保证受热温度准确且均匀。

本发明依据Ti-Al二元相图，扩散偶基准合金成分设计时，控制两个基准合金 中微量元素X含量相同，Al的百分含量不同，然后对制备好的基准合金在真空管 内进行预焊合，之后将试样在不同温度下长时间保温使两合金锭充分发生扩散，形 成了具有一定厚度的，由其中一个测试样品到另一测试样品的成分连续过渡的中间 扩散层，中间扩散层厚度应能满足用电子探针测定成分分布的需要。本发明基于相 界面处的局域平衡原理，通过研究此中间扩散层可以得到在某温度下由包含基准合 金组成元素的合金的相平衡关系。由此可以在短时间内以及少的工作量下可以对成 分复杂的Ti-Al-X基金属间化合物相变规律进行有效研究。

与现有技术相比本发明优势在于：相对于传统的合金相变点的测定，合金在 某一温度下平衡相的研究手段，如金相法，热分析法等存在实验周期长，试样需求 多，工作量大，测量误差大等问题。本发明可以在短时间内以及少的工作量下对成 分复杂的Ti-Al-X基金属间化合物相变规律进行有效研究。尤其在当添加元素为两 种及以上时，传统的二元或者三元相图并不适用，通过本发明的方法可以得到含有 多组元的Ti-Al-X基合金某一温度下的部分伪二元相图，从而对给定合金成分的合 金进行相变研究。

附图说明

图1为扩散偶基准合金的成分设计在Ti-Al二元相图中的示意图；

图2为由Mo板与Mo丝组成的夹具；

图3为测试样品A与测试样品B结构示意图；

图4为测试样品A与测试样品B放在夹具内的结构示意图；

图5为测试样品在由Mo板上的位置关系图；

图6为真空预焊管的结构示意图；

图7为扩散偶试样封入到高纯石英管中准备平衡扩散处理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种多组元Ti-Al-X系金属间化合物平衡相的测量方法，该方法包括以下步骤：

第一步：扩散偶基准合金成分设计：控制两个基准合金中微量元素X含量相 同，基于Ti-Al二元相图，如图1所示，选取不同Al含量，使其中一个基准合金 在α单相区，另一个基准合金在γ单相，其中微量元素X选自元素Nb、Mo、Cr、V、 Si、W、Ta、C、Fe、B或Y中的一种或几种；

本实施例中，具体设计的两个基准合金成分如下所示：

试样A：Ti-36Al-4Nb-1.5Cr-0.5Mo-0.1B-0.1Y

试样B：Ti-54Al-4Nb-1.5Cr-0.5Mo-0.1B-0.1Y

第二步：选取高纯Ti，高纯Al，高纯Nb，高纯Cr，高纯Mo，高纯Y，以 及高纯B为原料，配比合金时，需考虑铝元素烧损合金铸锭的熔炼采用真空感应 电弧熔炼炉，反复熔炼三次以保证各元素混合均匀；

第三步：将熔炼后的扩散偶基准合金锭切割切成4*5*10mm的测试样品，将 测试样品经清洗、打磨和烘干之后封入高纯石英管内，在1200-1250℃进行保温8h， 进行成分均匀化预处理，依据Ti-Al相图，均匀化温度在1200-1250℃时，Al含量 在33-40％的TiAl基合金处在α单相区，Al含量在48-60％的钛铝基合金处在γ单相 区，将测试的基准合金在其各自的单相区进行均匀化处理，淬火，以调整其成分， 使试样A基准合金在α单相区，试样B基准合金在γ单相区；

第四步：将测试样品表面用1000#的砂纸打磨光滑平整之后进行真空预焊接； 如图2-5所示，准备两个直径为25mm厚5mm的耐热Mo板1用以夹持试样，中 间掏出三个直径为7mm的空洞3，用直径为6mm的Mo丝2，两头带有螺纹，用 螺帽固定，中间是平滑的，两个测试样品夹在Mo丝2中间，两个要焊合的测试样 品A与测试样品B的基准合金要表面磨的平整，需要能刚好不留缝隙地并在一起。 把其放在两个Mo板之间用带螺帽的Mo丝进行固定。预焊在如图6所示的真空预 焊管中进行，预焊管抽真空，真空度为0.1Pa。加热到900℃，保温30-50min，利 用各个合金的热膨胀系数的不同受力，扩散偶试样发生表面扩散而粘连在一起。

第五步：如图7所示，预焊好的样品封入高纯石英管4中进行平衡扩散处理， 在两个测试样品之间形成中间扩散层，平衡扩散处理要在立式管式炉中进行，并用 耐热丝把真空封好的石英管吊于管式炉的中央以保证受热温度准确且均匀，处理方 式如下：

表1扩散偶处理制度

注：WC为水淬

第六步：针对经过不同平衡扩散处理的样品，把其中间扩散层制成金相样品进 行观察，采用电子探针对样品的相界面两端进行Al和Ti含量测试，绘制Al和Ti 从α相区到γ相区的浓度分布曲线，并得到两相的平衡成分。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。 熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明 的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上 述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和 修改都应该在本发明的保护范围之内。