一种减少定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层反应的工艺

摘要

本发明研究了一种减少定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层反应的工艺，属于高温结构合金的定向凝固铸造方法。本发明的目的在于提供一种定向凝固制备钛铝合金时的最优工艺参数，通过对Ti-48Al-7Nb-2.5V-1.0Cr合金定向凝固参数的设计，在保温时间30分钟，抽拉速率60μm/s时使合金熔体与铸型材料之间的界面反应减弱到最小，反应层厚度降低在10μm以内，铸件表面较光滑，内部污染少。其特征在于既减少了熔体与铸型的接触时间，又避免了抽拉速率大时晶粒数增多、晶粒方向与轴向偏差大的问题。本发明工艺合理、成本低、不影响钛铝合金的定向凝固组织取向，可以应用到钛铝合金的定向凝固工艺中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种减少定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层反应的优化，属于高温结构合金的界面反应优化工艺。

背景技术

钛铝合金作为一种轻质高温结构材料，不仅密度低、比强度高、弹性模量高，而且有良好的高温抗氧化和抗蠕变能力，是发动机材料的研究热点之一，在航空航天、生物医疗和汽车制造等领域得到了广泛的应用。由TiAl(γ相)和少量Ti₃Al(α₂相)组成的全片层组织比其他形式的组织具有更好的力学性能，明显的呈现出各向异性，外加载荷与片层方向一致的情况下，材料的屈服强度、延伸率、断裂韧性和蠕变性能都得到显著提高，能有效提高合金的综合力学性能。因此，控制凝固合金的片层取向能极大拓宽TiAl合金的使用范围。

定向凝固技术是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向的柱状晶或单晶的一种铸造工艺。定向凝固技术能获得平行于轴向的柱状晶，消除普通铸造中与应力轴垂直的横向晶界，避免了高温应力下产生裂纹的主源，提高合金的持久强度和塑性，改善热冲击抗力和蠕变强度，从而大幅度提高钛铝合金构件的服役能力。

有学者采用定向凝固技术，利用籽晶的引晶作用在陶瓷铸型中控制TiAl合金的片层取向，制备出了与生长方向完全平行的定向全片层组织。但是钛铝合金熔点高、具有很高的化学活性，会与铸型材料发生不同程度的界面反应，导致在铸件表面形成污染层，劣化了钛铝合金铸件的内部及表面质量，影响铸件的尺寸精度。

也有研究尝试采用无铸型熔炼来避免定向凝固过程中界面反应的发生，但实际应用受到限制。例如电磁约束成形定向凝固和悬浮区熔定向凝固，前者单靠电磁力约束合金熔体存在难于成形复杂构件的问题，而后者依靠表面张力保持熔区的稳定只能成形微小构件，难于制备较大铸件。有效调控有铸型定向凝固过程中钛铝合金熔体与铸型材料间的界面反应是亟待解决的问题。

定向凝固钛铝合金对铸型有特殊的要求：高温稳定性好，抗热振性，耐化学腐蚀，同时还要易加工、价格便宜。目前应用到定向凝固中的铸型材料有石墨、ZrO₂、Al₂O₃和Y₂O₃等。但是石墨铸型中的C元素进入到合金熔体中改变了原有成分合金的凝固路径；ZrO₂脆性较大且与试样反应层较厚；高温Al₂O₃颗粒会脱落进入熔体在凝固组织中形成大量的夹杂物；致密的Y₂O₃抗热震性差，定向凝固时易碎裂且价格昂贵。因此，双层结构铸型在节省成本上有较大的提高。本发明采用的是内壁涂有Y₂O₃涂层的Al₂O₃铸型。

研究表明，界面反应与接触时间和温度有关，为了减弱铸型材料和熔体的界面反应，获得较好的定向凝固组织，应尽量减少熔体与铸型的接触时间，因此在定向凝固过程时抽拉速率应尽可能的大，以缩短反应时间。然而，随着抽拉速率的增大，晶粒数量变多，晶粒方向与轴向偏差越大，欲获得少的晶粒数量和小的夹角，必须采用较低的抽拉速率。因此，如何合理控制定向凝固的工艺参数，对定向凝固钛铝合金转向工业化是十分必要的。

发明内容

技术问题：本发明针对钛铝合金定向凝固时与铸型的界面反应问题，优化定向凝固工艺，设计合理的凝固参数，以期减弱界面反应，获得表面质量更好的定向凝固铸件。

为达到以上技术问题，本发明通过以下技术方案实现的：

本发明采用的是Al₂O₃（内覆厚度为0.5mm的Y₂O₃涂层）铸型，其特征是价格适宜，易加工，在以往的研究中发现比其他铸型下的界面反应都弱。本发明的原料是Ti-48Al-7Nb-2.5V-1.0Cr，属于高Nb钛铝合金。

所述的钛铝合金的定向凝固步骤如下：

（1）熔炼：将优化比例后的海绵Ti、Al粉、Cr粉、AlV和AlNb颗粒(粒状325目)以合适的方位摆放于立式离心式真空感应熔铸炉中混料，便于熔炼过程中各原料相互反应放热，使其更快融化。炉中真空度保持在0.5Pa左右后通入Ar气保护。熔铸成型后将铸锭倒扣放入再次熔铸，反复三次使铸锭元素分布均匀，取点检验成分分布，最后一次的铸锭作为定向凝固的母锭；

（2）定向凝固：从（1）中的合金锭上切取直径为6mm的圆棒，磨去氧化皮，清洗、烘干后装入坩埚中。开始前反复抽真空五次，当炉腔真空度达到5×10^-3Pa时开始加热，加热到500℃时通入氩气至压力为0.05MPa。对铸型进行分段加热，第一段为室温至1300℃，加热时间3h，第二段为1300℃至1600℃，然后保温30分钟。在60μm/s下进行抽拉，抽拉长度为100mm。熔体在镓铟液态金属冷却液下迅速凝固。

有益效果：通过本实验，定向凝固参数采用保温30分钟、抽拉速率60μm/s，严格按照实验步骤和实验要求，得到的定向凝固试样界面反应层最薄，内部污染物最少，实现了对钛铝合金的定向凝固工艺的优化。经过设计的工艺参数定向凝固界面反应层厚度降到了10μm以内，铸件表面质量和尺寸精度得到大大提高，内污染物也明显减少，界面反应得到了比较好的控制。

本发明为Ti-48Al-7Nb-2.5V-1.0Cr合金定向凝固提供了有效的工艺参数，并对高铌钛铝合金的定向凝固过程提供了借鉴。

附图说明

图1是钛铝合金的基体形貌和界面反应层厚度。

图2是界面反应处粉末的物相图谱。

具体实施方式

一种减少定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层反应的工艺。

（1）试样熔炼，在真空感应熔铸炉中制备试验的母锭，合金成分如表1所示。加热前将石墨模具预热至200℃后保温1小时，加热完成后快冷铸态取样；

（2）在上述合金锭上切取直径为6mm，长度为100mm的圆棒作为定向凝固试样。打磨表面氧化皮，用丙酮超声清洗后在120℃烘干一小时；

（3）将试样放入Al₂O₃（内径为6mm，外径8mm）铸型中，固定在定向凝固炉中，关上设备开始抽真空，要求炉腔真空度达到5×10^-3Pa，加热到500℃时通入氩气至0.05MPa，以减少实验过程中蒸发耗损；

（4）感应加热过程分为2段：第一段为500℃至1300℃，加热时间3h，第二段为1300℃至1600℃，合理控制感应电流、电压，保温30分钟；

（5）定向凝固时的抽拉速率为60μm/s，抽拉长度为100mm；

（6）取出定向凝固试样，纵向剖切后清理表面，按照金相要求进行打磨、机械抛光、腐蚀，观察定向凝固组织、界面反应厚度、污染物及其成分。

具体测试如下：采用美国FEIQuantaTM250型扫描电子显微镜观察铸件基体的组织形貌和界面反应层厚度，结果如图1所示。基体为典型的钛铝合金定向凝固组织，在基体上粘着少量的污染物，反应层薄且不连续，说明界面反应较弱。将试样表面薄层打磨下来，研钵细化后进行物相分析，物相分析采用德国布鲁克D8AdanceX射线衍射仪，结果如图2所示，凝固后坩埚完整，切粉末中含有Al₂O₃，说明界面反应仅发生在熔体和Y₂O₃涂层之间，有效地减弱了界面反应剧烈程度。

最后说明：以上仅为本发明的实例而已，并通过实例对本发明进行了详细的说明，对于本技术领域的人员来说，凡对本发明做出简单修改、等同替换与改进，均应在本发明的保护范围之内。